Eşzamanlı ısı ve kütle transferinin heterojen malzemelerde geçici rejimde matematik modellenmesi

Abstract

Gözenekli malzemelerde eşzamanlı gerçekleşen ısı ve kütle transferi, geniş bir endüstriyel uygulama alanına sahiptir. Bu uygulama alanları içinde sıklıkla karşılaşılan kurutma, ısı ve kütle transferinin bir arada eş zamanlı olarak gerçekleştiği oldukça karmaşık bir işlem olarak görülmektedir. Bu doğrultuda, konu üzerinde enerji optimizasyonu ve proses kontrolü ile ilgili çalışmalar yoğun şekilde yürütülmektedir. Ülkemizde özellikle tekstil, gıda, kağıt ve yapı sektöründe yoğun olarak kullanılan kurutma proseslerinin istenilen şartlarda, mamul kalitesini etkilemeden ve ekonomik bir şekilde gerçekleştirilmesinde kullanılabilecek bir yöntemin sunulması bu tez çalışmasının amacını oluşturmaktadır. Bu yolla ülke ekonomisine, milli servet israfını azaltarak katkıda bulunulmuş olacaktır. Bu çalışmada, konvektif ısı ve kütle geçişi ele alınarak, ince kalınlığa sahip gözenekli malzemelerdeki kurutma olayını tanımlayacak bir matematik model geliştirilmiştir. Geliştirilen model, öncelikle kumaş, mürekkep film tabakaları ve kağıt kurutulması üzerine uygulanmış, ele alman numunelerdeki sıcaklık ve nem dağılımları elde edilmiştir. Matematik modelin kurulmasının yanısıra farklı kalınlık ve tipteki kumaşlar için kurutma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Modelden elde edilen teorik sonuçlar, Uludağ Üniversitesi laboratuarlarında gerçekleştirilen deneylere ait sonuçlarla ve konu ile ilgili literatürden elde edilen deney sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve bulgular tartışılmıştır. Elde edilen teorik sonuçların, deneysel sonuçlarla uyum içinde olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, çarpan hava jetlerinin kullanıldığı akademik araştırmalara ve endüstriyel kurutucuların tasarımına katkıda bulunmak, en uygun çalışma şartlarını belirlemek amacıyla, optimizasyon ve ekonomik analiz ile ekserji analizi gerçekleştirilmiştir.

Simultaneous heat and mass transfer in porous materials have wide industrial application. Drying is a complex process associated with the coupled mechanism of heat and mass transfer. For this reason, the intensive research on drying is continued specially based on optimisation of energy and process control. The aim of this thesis is to present a new method for drying processes widely used in our country specially in the production of textiles, food industries, manufacturing of paper and construction sectors to provide enhanced product quality and economically applied at a definite condition. In this manner, energy consumption and national wealth expenditure decrease and it will contribute the economics of our country. In this study, a mathematical model is developed in order to describe the drying processes of thin materials, based on simultaneous heat and mass transfer. This developed model is applied to the drying of fabric, paper and ink film layers and temperature and moisture distribution in materials are predicted. As well as drying experiments are done for various thickness and fabrics types. Theoretical results predicted from the mathematical model are discussed and compared with the experimental results which are obtained at Uludağ University Laboratories and the results obtained by various researchers in the literature. It is found that the theoretical results are good agreement with the experimental results. Finally, in order to contribute the academic researchers and the design of industrial dryers which use impinging air jets, optimisation and economical and exergy analysis are done.