Dikey bir porselen levhadan taşınımla eşzamanlı ısı ve kütle geçişi olaylarının teorik & ampirik bağıntılar ve dijital görüntü işleme kullanılarak incelenmesi

Abstract

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.