Bulaşık makinesinde inovatif hızlı kurutma yöntemi tasarımı ve yöntem parametrelerinin deneysel olarak incelenmesi
Design of a novel quick drying method in dishwasher and experimental investigation of method's parameters
Yazar: RAHMİ MERT AKKÜLAH
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:
Hemen hemen tüm evlerde bulunan ev aletlerinden birisi, bulaşıkları daha hijyenik ve daha verimli şekilde temizleyen bulaşık makineleridir. Bulaşık makinelerinde temizlik çevrimi genel olarak sırasıyla ön veya soğuk yıkama, ana yıkama, soğuk durulama, sıcak durulama (SCD) ve kurutma (KRT) adımlarından oluşmaktadır. Kullanıcının bulaşık makinesinden beklentisi ise olabildiğince kısa sürede, kirden tamamen arındırılmış ve üzerinde su kalıntısı bulunmayan yükler elde etmektir.  Daha verimli ve performansı yüksek bulaşık makinelerine ilginin artması nedeniyle bulaşık makinesi sistemlerini geliştirmek maksadıyla birçok çalışma yürütülmektedir. Bu çalışmalardan bir bölümünün odak noktası ise kurutma sistemlerinin geliştirilerek kurutma performansının iyileştirilmesidir. Günümüz teknolojisinde bulaşık makineleri özelinde tasarlanmış birçok kurutma sistemi mevcuttur. Bu sistemler açık veya kapalı, dinamik (fanlı) veya statik (fansız) olabilmektedir ve özelleşmiş teknolojiler içerebilmektedir.
Bulaşık makinesi KRT adımında temelde buharlaşma ve yoğuşma fiziksel olayları gerçekleşmektedir. Bu olaylar kütle, ısı ve momentum aktarımının karmaşık bir fonksiyonu olduğu için bu aktarımların farklı kombinasyonları da farklı kurutma performansı sağlamaktadır. Islak yüzeyler üzerindeki su kalıntılarının buharlaşma hızını etkileyen birçok faktör vardır. Bunlar arasında suyun sıcaklığı, hava basıncı, hava nem oranı, su-hava temas yüzeyi alanı ve havanın hareketi bulunur. Kütle geçişi hızının arttırılması için en temelde derişim farkının arttırılması gereklidir. Bunun için yüzeyler etrafındaki doymuş nem oranına sahip hava hacmiyle, nem oranı daha düşük hava hacminin devamlı olarak yer değiştirmesi gerekmektedir. Ayrıca, kinetik enerjisi artan hava hacminin nem taşıma kapasitesi ve buna bağlı olarak arayüzeyde derişim farkı arttığı için yüksek sıcaklıklarda buharlaşma hızının arttığı bilinmektedir. KRT adımında bulaşık makinesi içerisindeki hava hacminin nem oranının düşük tutulması için kapalı veya açık sistem uygulamaları bulunmaktadır. Açık sistem uygulamaları, derişimin farkının daha basit ve etkili şekilde sağlanmasına izin verse de bulaşık makinesi içerisindeki sıcak ve nemli havanın direkt olarak dış ortama tahliye edilmesi insan ve mobilya sağlığı açısından tehlike doğurabilmektedir. Kapalı sistem uygulamalarında ise, kurutmada verimlilik ancak daha kompleks ve maliyeti yüksek tasarımların oluşturulmasıyla sağlanmaktadır. 
Bu bağlamda, ev tipi bulaşık makinelerinin kurutma sistemlerine odaklanan bir tez çalışması gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması, ev tipi bulaşık makinelerinde kurutma hızını arttırarak kısa zaman zarfında yüksek kurutma performansı sağlayacak yenilikçi bir kurutma yöntemi tasarlamak amacıyla ele alınmıştır. Deneysel çalışmalar, tasarlanan kurutma yöntemin faydasının sınandığı ve yönteme ait girdi parametrelerin etkisinin incelendiği iki farklı deney seti altında kapsamlı ve standartlara uygun olarak yürütülmüştür. Çalışmalar sonucunda, yeni kurutma sistemi özelinde oluşturulmuş, referans koşula görece olarak daha iyi bir genel performans sunan koşul önermesi yapılmıştır. Bulaşık makinelerinde yüksek yıkama ve kurutma performansına, görece olarak yüksek enerji tüketimiyle daha kısa süre zarfında ulaşan hızlı program bulunmaktadır. Hızlı kurutmanın mercek altına alındığı bu çalışmadaki aksiyonlar hızlı program üzerine kurgulanmıştır.
Çalışma süresince literatürde var olan bulaşık makinesi kurutma sistemleri özelindeki çalışmalar araştırılmıştır. Ayrıca, pazar ve patent araştırması yürütülerek tasarlanan kurutma sistemleri detaylıca incelenmiştir. Geniş kapsamda gerçekleştirilen araştırma süreci sonucunda, yenilikçi özellik taşıyan ve kurutma prosesinde gerçekleşen fiziksel olaylara ait teorik yaklaşımlara dayanan bir kurutma yöntemi önerilmiş ve tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında önerilen kurutma yöntemi, yüksek kapasiteye sahip fanlı kapalı çevrim hava sirkülasyonuna, bulaşık makinesi kabini içerisindeki sepet üzerine entegre edilen bir hava yönlendirme aparatına ve otomatik kapı açma fonksiyonuna sahiptir. Ayrıca, bu yöntem özelinde kurutma prosesi, soğuk yüzey oluşturmak amacıyla kabin içerisine şebeke suyunun alındığı bir su alma adımı da içermektedir. Tasarlanan yöntemin yenilikçi bir özellik taşıması sebebiyle haklarını korumak amacıyla 2023/005137 TR numaralı patent başvurusu gerçekleştirilmiştir. 
Bulaşık makinesi KRT adımında buharlaşma hızına etki eden en baskın parametrelerden birisi sıcaklıktır. KRT adımında kabin içerisindeki nemli ve sıcak havanın yüzeyler etrafından uzaklaştırılarak yerine taze havanın beslendiği en etkili ve pratik uygulama ise otomatik kapı açma özelliğidir. Bu nedenlere bağlı olarak, KRT adımı öncesi SCD adımında yüzeylerin sıcaklıklarını olabildiğince arttırmak ve KRT adımında derişim farkını sağlamak için otomatik kapı açma uygulaması gerçekleştirmek, bulaşık makinesinde buharlaşma hızını üst seviyelere taşımak için yeterli olacaktır. Fakat yüksek sıcaklığa ve nem oranına sahip iç havanın direkt olarak dış ortama tahliye edilmesi kullanıcı sağlığı ve mobilya ömrü açısından olumsuz sonuçlara yol açabildiği için otomatik kapı açma uygulaması bazı kurallarla sınırlandırılmaktadır. Bu çalışma kapsamında tasarlanan yöntemde, yüksek sıcaklıklara sahip KRT adımı başında otomatik kapı açma uygulamasının gerçekleştirilebilmesi için kısa sürede kabin iç havasının uygun şartlara getirileceği bir sistem önerilmektedir. Yönteme göre, KRT adımı başladığında hazneye yeteri miktarda musluk suyu (15°C) alınarak kabin zemininde bir soğuk yüzey oluşturulmaktadır. Ardından, yüksek kapasiteli fan ve hava kanallarından oluşan kapalı çevrim hava sirkülasyonu sistemi çalıştırılmaktadır. Sıcak ve nemli havadan soğuk yüzeye doğru olan ısı ve kütle geçişi miktarının arttırılması için bir hava yönlendirme aparatı kullanılarak sirkülasyon hattındaki hava direkt olarak soğuk su yüzeyine çarptırılmaktadır. Kapalı çevrimde havanın tariflenen yöntemle sirkülasyonu sonucunda kısa sürede kabin iç havası uygun kabin iç havası sıcaklık ve nem miktarı değerlerine erişmektedir. Kabin iç havasının şartlandırılması sonucu otomatik kapı açma fonksiyonu devreye girerek kapalı çevrim sirkülasyonu durmakta, haznedeki su tahliye edilmekte ve böylece açık sistem koşulları oluşmaktadır. Yöntemin gerçekleşmesiyle, yüksek yük sıcaklıklarında bulaşık makinesi kapısı açılarak yüksek debide açık çevrim hava sirkülasyonu gerçekleştirilmekte ve kurutma hızının önemli miktarda artması sağlanmaktadır. 
Yönteme özgü hava sirkülasyonu sisteminin üretilmesi sonrası deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere bulaşık makinesi prototipi oluşturulmuştur. Ek olarak, bulaşık makinesi çevresindeki mobilya yüzeylerini temsil edecek ve dış yüzeyler üzerinde olası yoğuşmaların gözlemlenmesine olanak sağlayacak bir saydam pleksi mobilya tasarımı yapılmıştır. Standartlara uygun testler ve ölçümler gerçekleştirilmesi kaygısıyla tasarlanan deney düzeneği Arçelik A.Ş. Merkez Arge Performans Laboratuvarı'nda kurulmuştur. Test edilen her bir koşul için tam çevrim temizleme programı çalıştırılmış ve çevrim boyunca 8 farklı bölgeye yerleştirilmiş termokupllardan alınan sıcaklık değerleri ölçülmüştür. Sıcaklık ölçümlerine ek olarak güç, enerji ve su tüketim değerleri VTS (Veri Toplama Sistemi) tarafından toplanmıştır. Her bir test sonrasında kurutma performansının değerlendirmesi, EN50242 standartına uygun ölçüm yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Kurutma performansına ek olarak, pleksi mobilya yüzeyleri kontrol edilerek varsa yoğuşan su miktarı ölçümü yapılmıştır. Referans koşul olarak, kullanılan bulaşık makinesinin orijinal hızlı programı test edilmiştir. Birinci deney seti altında bu çalışmada önerilen hızlı kurutma yönteminin faydasını kanıtlamak için tasarlanan 6 koşul test edilmiştir. İkinci deney seti altında ise toplam 19 koşulda, kurutma sistemi performansına etkiyecek girdi parametrelerinin etkisini incelemek için testler yapılmıştır. İkinci deney seti altında 70, 65, 60 ve 55 °C olmak üzere farklı SCD sıcaklıklarının, 4, 3,5 ve 3 l olmak üzere farklı 'kurutmada hazneye alınan su' miktarının ve 6, 7, 8, 10, 15 olmak üzere beş farklı hava sirkülasyonu debisi miktarının etkisi test edilmiştir. Ayrıca, yukarıdaki koşullarda kapı açma sıcaklığı kuralı olarak, kabin iç havasının 42°C sıcaklığa düşmesi gerektiği kuralına uyulsa da deney setinin devamındaki koşullarda farklı kapı açma kurallarının etkisi de test edilmiştir. Her koşulda en az 3 tekrarlı olacak şekilde testler yürütülmüştür. 
Referans program sıcaklıklarında, referans program toplam enerji tüketimini ve toplam süresini koruyacak şekilde yeni kurutma yönteminin uygulanmasıyla gerçekleştirilen birinci deney setinin son koşulunda yapılan testlere göre, referans programa görece olarak kurutma performansında %20 oranında bir artış sağlanarak kurutma performansı 92 puan seviyelerine yükseltilmiştir. Yönteme etkiyen parametreleri incelemek amacıyla, tasarlanan KRT adımı koşullarında, deneyler gerçekleştirilerek toplamda 64 kadar test sonucu detaylı incelenerek değerlendirilmiştir. Ayrıca bu veri seti ANOVA ve Regresyon istatiksel analizlerine tabi tutulmuştur. Kurutma süresini kayda değer miktarda kısaltırken, enerji tüketiminin olabildiğince düşük ve kurutma performansının olabildiğince yüksek olmasını sağlayacak bir koşul önerilmiştir. Önerilen koşul ile referans koşula görece olarak su tüketiminde 4 litrelik bir artışa karşın toplam enerji tüketiminden %23 ve toplam süreden %30 oranında kazanç sağlanırken kurutma performansında %9 oranında bir yükselme elde edilmiştir. Toplam program süresi 67 dk'dan 47 dk seviyesine indirilmiştir. 
Ek olarak, çalışma kapsamında önerilen kurutma yöntemi hızlı program özelinde toplam su tüketimini arttırsa da KRT adımında sisteme alınan bu suyun tahliye edilmeyip, bir sonraki temizleme çevriminde kullanılmak üzere depolanabilmesi değerlendirilmektedir.

Abstract:
In the era of advanced technology, household appliances are tools that facilitate human life and meet needs more conveniently and efficiently. One of the appliances found in almost every home is the dishwasher, which cleans dishes in a more hygienic and efficient manner. Dishwashers hold a significant place in people's lives, and the cleaning cycle generally consists of pre-wash or cold wash, main wash, cold rinse, hot rinse, and drying steps. In choosing a dishwasher, users consider not only energy and water consumption but also washing and drying performance. Users expect their dishwasher to deliver dishes that are completely free from dirt and water residue as quickly as possible. Due to the increasing interest in more efficient and high-performance dishwashers, many studies are carried out in order to develop dishwasher systems. One aspect of these studies focuses on enhancing drying systems to improve drying performance. In today's technology, there are various drying systems designed specifically for dishwashers. These systems can be open or closed, dynamic (with fans) or static (w/o fan) and may incorporate specialized technologies.
In the drying step of a dishwasher, the fundamental physical phenomena involved are evaporation and condensation. These phenomena are a complex function of mass, heat, and momentum transfer, and different combinations of these transfers result in different drying performance. There are several factors that affect the evaporation rate of water residues on wet surfaces. These factors include the temperature, air pressure, air humidity, surface area of water-air contact, and air movement. Increasing the concentration difference is essential to enhance the mass transfer rate. This requires continuous displacement of the volume of air with saturated humidity around the surfaces by air with lower humidity. Additionally, it is known that the evaporation rate increases at higher temperatures due to the increased moisture holding capacity of saturated air with increased kinetic energy and the resulting higher concentration difference at the interface.
In the drying step, there are both open and closed system applications to maintain a low humidity level in the air volume inside the dishwasher. Open system applications allow for a simpler and more effective establishment of concentration difference. However, directly venting the hot and humid air from the dishwasher to the external environment can pose risks to furniture life and human health. On the other hand, closed system applications achieve efficiency in drying through more complex and costly designs.
In this context, a thesis study focusing on the drying systems of household dishwashers has been conducted. The aim of the thesis was to design an innovative drying method that would increase the drying speed and achieve high drying performance in a short period of time for household dishwashers. Different conditions were designed to test the benefits of the newly designed drying method and examine the parameters that would affect the system's performance. Experimental studies were conducted under two different sets of experiments in accordance with standard in order to test the benefits of the novel drying method and analyze the impact of input parameters related to the method. As a result of the studies, a proposal was made for a condition that offers better overall performance compared to the reference condition, specifically for the new drying system. In dishwashers, there is a quick program that achieves high washing and drying performance in a relatively shorter period through high energy consumption. The actions in this study, focusing on quick drying, were designed based on the quick program.
Throughout the study, literature research was conducted on the existing dishwasher drying systems. Additionally, market and patent research were conducted, and the designed drying systems were thoroughly examined. As a result of the extensive research process, a drying method was proposed and designed, which carries innovative features and is based on theoretical approaches to the physical phenomena occurring in the drying process. Within the scope of this study, the proposed drying method includes a high-capacity fan-assisted closed-loop air circulation system, an air directing device integrated onto the dishwasher basket, and the door opening function. Furthermore, in this method, the drying process includes a water intake step where the tap water is taken into the cabinet to create a cold surface. Due to the innovative features of the designed method, a patent application with the number 2023/005137 TR has been filed to protect its rights.
One of the dominant parameters that affect the evaporation rate in the dishwasher drying step is temperature. The most effective and practical application to remove the humid and hot air from the cabinet and replace it with fresh air is the automatic door opening feature. Therefore, increasing the surface temperatures as much as possible in the hot rinsing step and opening the door to create a concentration difference in the drying step will be sufficient to increase the evaporation rate in the dishwasher. However, direct discharge of the internal air with high temperature and humidity to the outside can have negative consequences for user and furniture health, so the automatic door opening function is limited by certain rules. In the proposed drying method, a system is suggested to bring the internal air of the cabinet to suitable conditions in a short period of time, allowing the automatic door opening to be performed at the beginning of the drying step even with high temperatures. According to the method, at the beginning of the drying step, a sufficient amount of tap water (15°C) is taken into the sump, creating a cold surface on the floor of the dishwasher cabinet. Then, a closed-loop air circulation system consisting of a high-capacity fan and air ducts is activated. An air directing device is used to direct the air in the circulation line towards to the cold-water surface for increasing the amount of heat and mass transfer from the hot and humid air to the cold surface. As a result of the circulation of air in the closed-loop system according to the described method, the internal air of the cabinet reaches the desired temperature and humidity values in a short period of time. Once the internal air of the cabinet is conditioned, the automatic door opening function is activated, the water in the sump is drained, and open system conditions are established. While conditioning the internal air of the cabinet in the closed-loop system, although the dishwasher loads cool down to some extent, they still have high temperatures when the door is opened. With the implementation of the method, the dishwasher door is opened at high load temperatures, allowing a significant amount of open-loop air circulation, and greatly increasing the drying speed. The device that directs the air from the suction line of the circulation system towards the cold-water surface before mixing with the air inside the cabinet is integrated into the dishwasher basket to ensure structural compatibility. The air ducts and fan associated with the air circulation system are designed to be installed on the selected prototype, which is the Grundig brand GNUP4620XC model dishwasher, for the experimental study.
A dishwasher prototype with the air circulation system specific to the method was prepared for use in experimental studies. A plexiglass furniture design was made to represent the furniture surfaces surrounding the dishwasher and to allow observation of possible condensation on the external surfaces. The dimensions of this plexiglass furniture were selected to be compatible with the wooden furniture dimensions specified in the EN50242 standard. The experimental setup, designed with the concern of conducting tests and measurements in accordance with standards, was established at Arçelik A.Ş. Central R&D Performance Laboratory. For each tested condition, a full cycle cleaning program was run, and temperature measurements from eight different areas using thermocouples, as well as power, energy, and water consumption data, were collected by DAQ (Data Acquisition System). After each test, the drying performance was evaluated using measurement methods compliant with the EN50242 standard. In addition to drying performance, measurements of any condensed water on the plexiglass furniture surfaces were conducted. The original quick program of the dishwasher used as a reference condition was tested. Within the first set of experiments, six conditions which are designed to demonstrate the benefits of the proposed fast drying method were tested. In the second set of experiments, tests were conducted to examine the effects of input parameters on the performance of the drying system with a total of 19 conditions. The second set of experiments contain testing different hot rinse temperatures of 70, 65, 60, and 55 °C, different amounts of water taken to the drying sump of 4, 3,5 and 3 liters, and five different air circulation flow rates of 6, 7, 8, 10, and 15 l/s. Additionally, the effect of different door opening rules was tested in the subsequent conditions, despite adhering to the rule that the cabin interior air temperature should drop to 42 °C. Tests were conducted with a minimum of three repetitions for each condition.
The last condition of the first set of experiments was created to maintain the temperatures, total energy consumption and total duration of the reference program. According to the tests carried out by applying the new drying method under this condition, the drying performance was increased to 92/100 points by providing a 20% increase in the drying performance relative to the reference program. Experiments were carried out under the conditions designed to examine the parameters affecting the method, and a total of 64 test results were examined and evaluated in detail. In addition, the data set was subjected to ANOVA and Regression statistical analyzes. A condition was proposed to shorten the drying time while keeping the energy consumption as low as possible and the drying performance as high as possible. With the proposed condition, despite an increase of 4 l in water consumption relative to the reference condition, 23% of the total energy consumption and 30% of the total time were saved, while an increase of 9% in the drying performance was obtained. The total program duration was reduced from 67 minutes to 47 minutes. The hot rinse temperature can be lowered as the method significantly increases the drying rate. In this way, energy consumption is reduced. The significant reduction in duration of program is achieved by both reducing the hot rinse temperature, which shortens the heater time, and reducing the drying step duration compared to the reference. Additionally, the occurrence of condensation on the surfaces outside the dishwasher was controlled during the implementation of the method, and no condensation was observed in any area that could potentially damage the furniture during the measurements.
Within the scope of the study, although the proposed drying method increases the total water consumption, it is known that the water taken into the system during the drying step can be stored without being drained and used in the next cleaning cycle. Today's high-efficiency dishwashers have water storage tanks with a capacity of approximately 3 l. Water tanks are designed to save energy by using conditioned water at room temperature. In this method recommended for the fast program, these water tanks can be used to store the clean water taken in the drying step and not exposed to any contaminants.