EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ( YÜKSEK LİSANS TEZİ ) ISI POMPALI KURUTUCUNUN ISIL TASARIMI Mert MİRZA Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu: 625.04.00 Sunuş Tarihi: 13/04/2006 Tez Danışmanı: Prof. Dr. Ali GÜNGÖR Bornova - İZMİR
V ÖZET ISI POMPALI KURUTUCUNUN ISIL TASARIMI MİRZA, Mert Yüksek Lisans Tezi, Makina Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Ali GÜNGÖR Nisan 2006, 206 sayfa Enerji tüketimindeki sürekli artış sonucu, enerji kaynaklarının verimli kullanılmasını sağlayacak yöntemlerin bulunması tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de önemli bir konu haline gelmiştir. Isı pompası, geleneksel sistemlerin yerine ısıtma ya da kurutma uygulamalarında kullanılabilir. Isı pompalarının kullanılmasıyla enerji tasarrufu ve verimlilikte artış sağlanır. Bu çalışmanın amacı, deri üretiminde özellikle kurutma aşamasında yoğun enerji kullanan sistemlere bir alternatif oluşturmaktır. Ayrıca, dünyada deri kurutma amaçlı kullanılan ısı pompası ile düşük sıcaklıklarda (30-35 ºC) kurutma yapılabileceğini Türk Deri Sanayine göstermektir. Bu çalışma kapsamında pistonlu soğutma kompresörü, buharlaştırıcı, hava soğutmalı yoğuşturucu, fan, ilave ısıtıcı ve kurutma kabininden oluşan deneysel bir ısı pompalı kurutucu tasarlanmış, üretilmiş ve deneylerde kullanılmıştır. Tamamen kapalı bir çevrim oluşturulmuştur. Bu sayede kurutucudan çıkan nemli havanın nemi alınarak tekrar kullanılması mümkün olmuştur. Deneylerden sonra sistem performansını ifade eden ısı pompası etkinliği (COP), kurutucu nem alma verimliliği (η ) ve özgül nem alma
VI hızı (SMER) gibi veriler termodinamik analizler ile hesaplanmıştır. Ayrıca matematiksel model analizleri ile kurutma eğrisi denklemleri tartışılmıştır. Tüm sonuçlar grafiklerde sunulmuştur. Gelecekte daha büyük kapasitelerde geliştirilecek bu tip bir kurutma sisteminin enerji kullanımı, kurutma süresi ve toplam verimlilik kavramları açısından alternatif bir teknik olduğu ifade edilmiştir. Anahtar sözcükler: Deri, Isı Pompası, Kurutma, Isı Pompalı Kurutucu
VII ABSTRACT THERMAL DESIGN OF A HEAT PUMP DRYER MİRZA, Mert MSc in Mechanical Engineering Department Supervisor: Prof. Dr. Ali GÜNGÖR April 2006, 206 pages As a result of constant increase in energy usage, finding efficient ways of using energy sources has become an important subject in our country as in all over the world. Instead of using traditional systems, heat pumps may be used in heating or drying applications. Energy saving and increase in efficiency are achieved by heat pump usage. The aim of this study is to compose an alternative to the energy intensive systems used in leather manufacturing, especially in drying process. In addition, we aimed to introduce Turkish Leather Industry that leather drying at low temperatures (30-35 ºC) with heat pump as it is used in the rest of the world is possible. For this study an experimental heat pump dryer which consists of a reciprocating cooling compressor, an evaporator, an air cooled condenser, a blower, an auxiliary heater and a dryer has been designed, manufactured and used in the experiments. An entirely closed cycle has been achieved. Therefore it has been possible to use same air again through dehumidification. After the experiments, different data which explain the system s performance such as coefficient of performance of the heat pump (COP),
VIII dehumidification efficiency of the dryer (η ) and specific moisture extraction rate (SMER) were calculated by thermodynamic analyses. Drying curves were also discussed by mathematical modeling analyses. All the results are submitted in graphics. This drying system with higher capacities which will be developed in the future is stated as an alternative technique in terms of energy usage, drying time and overall efficiency. Keywords: Leather, Heat Pump, Drying, Heat Pump Dryer
IX TEŞEKKÜR Bu çalışmanın başlangıcından sonuna kadar her aşamasında değerli görüşlerinden yararlandığım tez danışmanım Prof. Dr. Ali GÜNGÖR e, tezin şekillenmesinde yardımcı olan Prof. Dr. Necdet ÖZBALTA ya, Yrd. Doç. Dr. Turhan ÇOBAN a, Yrd. Doç. Dr. Bahri BAŞARAN a, Yrd. Doç. Dr. Behzat Oral BİTLİSLİ ye, Araştırma Görevlileri Özay AKDEMİR ve Gökhan GÜRLEK e, deney düzeneğinin oluşturulmasında teknik desteğini esirgemeyen Sayın Turan ERKAN a, ve kurutulacak farklı tipte derileri temin eden Sayın Altemur BAYHAN a teşekkürlerimi arz ederim. Proje, Ege Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Şube Müdürlüğü tarafından desteklenmiştir. BAP üst yönetimine teşvikleri için teşekkürü bir borç bilirim. Yüksek lisans programım süresince beni sabır ve anlayışla destekleyen aileme teşekkürlerimi sunarım.
X
XI İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... V ABSTRACT...VII TEŞEKKÜR... IX ÇİZELGELER DİZİNİ...XV ŞEKİLLER DİZİNİ...XX SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ... XXXVII 1. GİRİŞ... 1 2. KURUTMA SİSTEMİ TİPLERİ VE SEÇİMİ... 5 2.1 Kurutma Sistemi Seçimi... 5 2.2 Kurutucuların Sınıflandırılması... 8 2.2.1 Direkt kurutucular... 8 2.2.2 Özel kurutucular... 16 2.2.3 İndirekt kurutucular... 17
XII İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa 3. ISI POMPALI KURUTUCULAR VE ÇALIŞMA PRENSİPLERİ...23 3.1 Isı Pompaları ve Isı Pompalı Kurutmanın Geçmişi...24 3.2 Isı Pompaları ve Enerji Verimliliği...25 3.3 Isı Pompasının Temel Prensibi...26 3.4 Isı Pompası Çevrimleri...26 3.4.1 Ters Carnot çevrimi...26 3.4.2 İdeal çevrim...28 3.5 Isı Pompalı Kurutucular...30 3.6 Isı Pompalı Kurutucunun Çalışma Şekli...32 3.7 Gelişmiş Isı Pompalı Kurutucular...36 3.7.1 Çok kademeli ısı pompalı kurutucu...36 3.7.2 İnfrared ısı pompalı kurutucu...40 3.7.3 Radyo frekansı destekli ısı pompalı kurutucu...42 3.7.4 Geliştirilmiş ısı pompası çevrimi...43 3.8 Kurutma Sistemlerinde Verim Tanımlamaları...45
XIII İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa 3.9. Isı Pompalı Kurutucuların Avantajları ve Sınırlamaları... 47 3.9.1 Isı pompalı kurutucuların avantajları... 47 3.9.2 Isı pompalı kurutucuların sınırlamaları... 48 3.10 Geliştirilen Isı Pompalı Kurutucularda Yapılan Araştırmalar... 49 4. DERİ KURUTMA TEKNİKLERİ... 78 4.1 Deri Endüstrisinde Kurutma Uygulamalarının Yeri ve Önemi... 78 4.2 Deri Kurutulmasında Isı Pompasından Yararlanma Uygulamalarından Örnekler... 87 5. ISI POMPALI DERİ KURUTUCUNUN ISIL TASARIMI... 94 5.1 Ön Tasarım... 96 5.2 Düzeltilmiş Tasarım... 101 6. DENEYSEL ÇALIŞMALAR... 109 6.1 06.12.2005 Deney No: 1... 117 6.2 06.12.2005 Deney No: 2... 131
XIV İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa 6.3 07.12.2005 Deney No: 3...144 6.4 08.12.2005 Deney No: 4...157 6.5 08.12.2005 Deney No: 5...170 6.6 Ölçümlerden Kaynaklanan Hataların Analizi...183 7. SONUÇ VE DEĞERLENDİRMELER...191 YARARLANILAN KAYNAKLAR...194 EKLER...198 EK-1 Deney Düzeneğine Ait Bazı Fotoğraflar...199 EK-2 Deney Düzeneğinin Teknik Resmi...205 ÖZGEÇMİŞ...206
XV ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge Sayfa 1.1 Bir konvektif kurutucuda enerji tüketiminin dağılımı... 2 1.2 Değişik kurutucularda kurutma etkinlikleri... 3 2.1 Bazı ürünlerin kuruma sıcaklıkları ve kurutma süreleri... 6 2.2 Kurutucu tiplerine göre üründen uzaklaştırılan subaşına harcanan enerjiler... 7 3.1 Kauçuk kerestesi (rubber wood) kurutma sonuçları... 51 3.2 Aynı miktarda nem içeren kereste kurutulmasının sonucu... 52 3.3 Muz kurutma sonuçları... 52 3.4 Aynı miktarda nem içeren muz kurutulmasının sonucu... 53 3.5 Kereste kurutulması için tasarlanmış bir ısı pompalı kurutucunun enerji performansı... 53 3.6 A konfigürasyonuna ait sonuçlar... 72 3.7 B konfigürasyonuna ait sonuçlar... 72
XVI ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Çizelge Sayfa 3.8 C konfigürasyonuna ait sonuçlar...73 3.9 D konfigürasyonuna ait sonuçlar...73 4.1 Deri üretim proseslerinde uygulanan kurutma işlemlerinin teknik özellikleri...81 4.2 Deri üretiminde kullanılan kurutma ekipmanları ve özellikleri...85 6.1 Ölçümlerde kullanılan cihazlar...109 6.2 Deney akışı...116 6.3 % Uçucu maddeler...116 6.4 Derilere ait kütlesel ölçümler...118 6.5a Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan çeşitli matematiksel modeller...128 6.5b Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan çeşitli matematiksel modeller...128
XVII ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Çizelge Sayfa 6.5c Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan diğer matematiksel modeller... 129 6.6 Kullanılan modellerin analiz sonuçları... 129 6.7 Derilere ait kütlesel ölçümler... 131 6.8a Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan çeşitli matematiksel modeller... 141 6.8b Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan çeşitli matematiksel modeller... 141 6.8c Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan diğer matematiksel modeller... 142 6.9 Kullanılan modellerin analiz sonuçları... 142 6.10 Derilere ait kütlesel ölçümler... 144 6.11a Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan çeşitli matematiksel modeller... 154
XVIII ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Çizelge Sayfa 6.11b Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan çeşitli matematiksel modeller...154 6.11c Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan diğer matematiksel modeller...155 6.12 Kullanılan modellerin analiz sonuçları...155 6.13 Derilere ait kütlesel ölçümler...157 6.14a Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan çeşitli matematiksel modeller...167 6.14b Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan çeşitli matematiksel modeller...167 6.14c Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan diğer matematiksel modeller...168 6.15 Kullanılan modellerin analiz sonuçları...168 6.16 Derilere ait kütlesel ölçümler...170
XIX ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Çizelge Sayfa 6.17a Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan çeşitli matematiksel modeller... 180 6.17b Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan çeşitli matematiksel modeller... 180 6.17c Kurutma eğrilerinin elde edilmesi için kullanılan diğer matematiksel modeller... 181 6.18 Kullanılan modellerin analiz sonuçları... 181 6.19 Kurutma deneylerinde yapılan hataların toplam değerleri... 190 7.1 Deneyler sonucunda elde edilen bazı veriler... 191
XX ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa 2.1 Dikey turbo kurutucu...9 2.2 Askı kurutucu...10 2.3 Döner kurutucu...11 2.4 Püskürtmeli kurutucu ünitesinin süreç şeması...12 2.5 Bant tipi kurutucu...12 2.6 Tünel kurutucu...13 2.7 Tepsili kompartıman kurutucu...15 2.8 Silindir kurutucu...18 2.9 Mekanik olarak karıştırılan devamsız bir kurutucu...20 2.10 Vakum altında çalışan tek silindirli kurutucu...21 3.1 Carnot soğutma makinasının düzeni ve ters Carnot soğutma çevriminin T-s diyagramı...27
XXI ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 3.2 İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin düzeni ve soğutma çevriminin T-s diyagramı... 29 3.3 İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin P-h diyagramı... 29 3.4 Isı pompalı kurutucular için genelleştirilmiş sınıflandırma şeması... 32 3.5 Isı pompalı kurutucu prensip şeması ve psikometrik diyagramda gösterimi... 33 3.6 Basit nem alıcı ısı pompalı kurutucu... 34 3.7 Isı geri kazanımlı ısı pompalı açık hava çevrimli sistem... 35 3.8 Isı pompası ile bir atmosferik kaynaktan ısı çekimi ile kurutma havasının ısıtılması.... 36 3.9 Farklı ısı pompası konfigürasyonlarının etkinlik katsayıları... 37 3.10 Kurutma odasıyla birleştirilmiş iki kademeli ısı pompası sistemi... 38 3.11 İki kademeli ısı pompası çevrimindeki soğutma devresi... 39
XXII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 3.12 İnfrared destekli ısı pompalı kurutucunun şematik diyagramı...41 3.13 Radyo frekansı destekli ısı pompalı kurutucunun şematik diyagramı...42 3.14 En yüksek verimliliğin elde edilmesi amacıyla havadan havaya ısı değiştiricisi ile ısı pompası çevriminin şematik gösterilişi...44 3.15 Deneysel ısı pompalı kurutucu düzeneği...50 3.16 Kereste kurutmada kullanılan ısı pompalı kurutucunun şematik diyagramı...54 3.17 Deneyde kullanılan düzeneğin şematik diyagramı...55 3.18 Dışarıdan dolaştırılan hava oranının COP ve SMER üzerine etkisi (0,78 kg/m 2 s için)...56 3.19 Çevrim havası oranının COP ve SMER üzerine etkisi (0,78 kg/m 2 s için)...57 3.20 Isı pompalı kurutucunun şematik diyagramı...58
XXIII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 3.21 Tüm sistemin şematik diyagramı... 58 3.22 Havanın kapalı çevrimde sistem içindeki genel durumu, ısı geri kazanım modu... 60 3.23 Açık çalışırken ortam nemlendirmede ve yanında elma kurutmada kullanılan sistem havasının durumu... 60 3.24 45 ve 65 C ile ısı pompalı kurutucu destekli sistem (17 27 C) kurutulan elmaya ait kurutma eğrileri... 61 3.25 Elma kurutulması sırasında kullanılan sıcak havalı ve ısı pompalı sistemlerin enerji değerlerinin karşılaştırılması... 62 3.26 Isı pompası destekli akışkanlaştırılmış yataklı deneysel tahıl kurutucunun şematik diyagramı... 63 3 3.27 V = 500 m / h için kurutma sürecinde soğutucu akışkanın e basınç değişimi... 64 3 3.28 V = 500 m / h için kurutma sürecinde ısı pompasının e performansı... 65
XXIV ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 3 3.29 V = 500 m / h için ısı pompasının COP değeri...65 e 3 3.30 V = 2500 m / h için kurutma sürecinde soğutucu akışkanın e basınç değişimi...66 3 3.31 V = 2500 m / h için kurutma sürecinde ısı pompasının e performansı...66 3 3.32 V = 2500 m / h için ısı pompasının COP değeri...66 e 3 3.33 V = 2500 m / h için kurutma sürecinde akışkanlaştırılmış e yatağın giriş ve çıkış sıcaklıklarının değişimi...67 3 3.34 V = 2500 m / h için kurutma sürecinde buğday e nemliliğinin değişimi...67 3.35 Isı pompalı kurutucu konfigürasyonları A, B, C, D...68 3.36 Isı pompalı kurutucu ve sistem elemanları...69 3.37 Simülasyon ve deney sonuçları: kompresör gücü...75
XXV ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 3.38 Simülasyon ve deney sonuçları: COP... 75 3.39 Simülasyon ve deney sonuçları: kurutucu girişindeki çalışma havasının özellikleri (a) sıcaklık; (b) özgül nem... 76 3.40 Simülasyon ve deney sonuçları: MER... 77 3.41 Simülasyon ve deney sonuçları: SMER... 77 4.1 Deri üretim proseslerinde kurutma işlemleri... 79 4.2 Nemlilik kaybının zamanın fonksiyonu olarak gösterimi... 89 4.3 İspanya da gerçekleştirilen ısı pompalı deri kurutucunun şematik gösterilişi... 91 4.4 Isı pompalı ve elektrikli deri kurutma sistemi... 92 4.5 Deri kurutmada uygulanabilecek kesikli çalışan ısı pompalı kurutucu... 93 4.6 Deri kurutmada uygulanabilecek sürekli çalışan ısı pompalı kurutucu... 93
XXVI ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 5.1 Ön tasarım olarak düşünülen ısı pompalı kurutma çevrimi...96 5.2 Ön tasarım olarak düşünülen ısı pompalı kurutma çevriminin psikrometrik diyagramda gösterilişi...97 5.3 Ön tasarım olarak düşünülen ısı pompalı kurutma çevriminin buharlaştırıcısı için kontrol hacmi...98 5.4 Ön tasarım olarak düşünülen ısı pompalı kurutma çevriminin yoğuşturucusu için kontrol hacmi...100 5.5 Kurutma havasının tekrar kullanıldığı ısı pompalı kurutucu (düzeltilmiş tasarım)...101 5.6 Kurutma havasının tekrar kullanıldığı ısı pompalı çevrimin psikrometrik diyagramda gösterilişi...102 5.7 Kurutma havasının tekrar kullanıldığı ısı pompalı çevrimin buharlaştırıcısı için kontrol hacmi...104 5.8 Kurutma havasının tekrar kullanıldığı ısı pompalı çevrimin yoğuşturucusu için kontrol hacmi...106
XXVII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 6.1 Deneysel çalışmaların yapıldığı ısı pompalı kurutucu... 110 6.2 Deneyler esnasında ölçüm alınan noktalar... 111 6.3a Deneyler esnasında kullanılan ölçüm cihazları... 111 6.3b Deneyler esnasında kullanılan terazi ve bağıl nemölçer... 112 6.4 Deneyler esnasında kullanılan kontrol ünitesi ve veri kaydedici... 112 6.5 Uçucu maddeler tayini için kullanılan etüv... 114 6.6 Numunelerin soğutulması için kullanılan desikatörler... 115 6.7 Uçucu maddeler tayini yapılan numuneler... 115 6.8 Toplam kütle kaybı değişimi... 119 6.9 Kabin giriş, kabin çıkış ve kabin iç sıcaklığı değişimi... 119
XXVIII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 6.10 Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu çıkış ile çevre sıcaklığının değişimi...120 6.11 Kabin giriş, kabin çıkış ve buharlaştırıcı çıkışındaki bağıl nem değişimi...120 6.12 SMER değişimi...121 6.13 MER değişimi...121 6.14 COP değişimi...122 6.15 Nem alma verimi değişimi...122 6.16 Kuruma hızı değişimi...123 6.17 Deri 2 için nem değişimi...123 6.18 Deri 2 için kuruma eğrisinin değişimi...124 6.19 Deri 4 için nem değişimi...124 6.20 Deri 4 için kuruma eğrisinin değişimi...125
XXIX ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 6.21 Deri 6 için nem değişimi... 125 6.22 Deri 6 için kuruma eğrisinin değişimi... 126 6.23 Deri 8 için nem değişimi... 126 6.24 Deri 8 için kuruma eğrisinin değişimi... 127 6.25 Nem oranı değişimi... 127 6.26 06.12.2005-Deney No:1 için en uygun dört nem oranı-zaman eğrisinin MATLAB 6.5 programı ile elde edilmesi... 130 6.27 Toplam kütle kaybı değişimi... 132 6.28 Kabin giriş, kabin çıkış ve kabin iç sıcaklığı değişimi... 132 6.29 Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu çıkış ile çevre sıcaklığının değişimi... 133 6.30 Kabin giriş, kabin çıkış ve buharlaştırıcı çıkışındaki bağıl nem değişimi... 133 6.31 SMER değişimi... 134
XXX ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 6.32 MER değişimi...134 6.33 COP değişimi...135 6.34 Nem alma verimi değişimi...135 6.35 Kuruma hızı değişimi...136 6.36 Deri 1 için nem değişimi...136 6.37 Deri 1 için kuruma eğrisinin değişimi...137 6.38 Deri 3 için nem değişimi...137 6.39 Deri 3 için kuruma eğrisinin değişimi...138 6.40 Deri 5 için nem değişimi...138 6.41 Deri 5 için kuruma eğrisinin değişimi...139 6.42 Deri 7 için nem değişimi...139 6.43 Deri 7 için kuruma eğrisinin değişimi...140
XXXI ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 6.44 Nem oranı değişimi... 140 6.45 06.12.2005-Deney No:2 için en uygun dört nem oranı-zaman eğrisinin MATLAB 6.5 programı ile elde edilmesi... 143 6.46 Toplam kütle kaybı değişimi... 145 6.47 Kabin giriş, kabin çıkış ve kabin iç sıcaklığı değişimi... 145 6.48 Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu çıkış ile çevre sıcaklığının değişimi... 146 6.49 Kabin giriş, kabin çıkış ve buharlaştırıcı çıkışındaki bağıl nem değişimi... 146 6.50 SMER değişimi... 147 6.51 MER değişimi... 147 6.52 COP değişimi... 148 6.53 Nem alma verimi değişimi... 148 6.54 Kuruma hızı değişimi... 149
XXXII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 6.55 Deri 9 için nem değişimi...149 6.56 Deri 9 için kuruma eğrisinin değişimi...150 6.57 Deri 10 için nem değişimi...150 6.58 Deri 10 için kuruma eğrisinin değişimi...151 6.59 Deri11 için nem değişimi...151 6.60 Deri 11 için kuruma eğrisinin değişimi...152 6.61 Deri 12 için nem değişimi...152 6.62 Deri 12 için kuruma eğrisinin değişimi...153 6.63 Nem oranı değişimi...153 6.64 07.12.2005-Deney No:3 için en uygun dört nem oranı-zaman eğrisinin MATLAB 6.5 programı ile elde edilmesi...156 6.65 Toplam kütle kaybı değişimi...158 6.66 Kabin giriş, kabin çıkış ve kabin iç sıcaklığı değişimi...158
XXXIII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 6.67 Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu çıkış ile çevre sıcaklığının değişimi... 159 6.68 Kabin giriş, kabin çıkış ve buharlaştırıcı çıkışındaki bağıl nem değişimi... 159 6.69 SMER değişimi... 160 6.70 MER değişimi... 160 6.71 COP değişimi... 161 6.72 Nem alma verimi değişimi... 161 6.73 Kuruma hızı değişimi... 162 6.74 Deri 2 için nem değişimi... 162 6.75 Deri 2 için kuruma eğrisinin değişimi... 163 6.76 Deri 5 için nem değişimi... 163 6.77 Deri 5 için kuruma eğrisinin değişimi... 164
XXXIV ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 6.78 Deri 7 için nem değişimi...164 6.79 Deri 7 için kuruma eğrisinin değişimi...165 6.80 Deri 8 için nem değişimi...165 6.81 Deri 8 için kuruma eğrisinin değişimi...166 6.82 Nem oranı değişimi...166 6.83 08.12.2005-Deney No:4 için en uygun dört nem oranı-zaman eğrisinin MATLAB 6.5 programı ile elde edilmesi...169 6.84 Toplam kütle kaybı değişimi...171 6.85 Kabin giriş, kabin çıkış ve kabin içi sıcaklık değişimi...171 6.86 Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu çıkış ile çevre sıcaklığının değişimi...172 6.87 Kabin giriş, kabin çıkış ve buharlaştırıcı çıkışındaki bağıl nem değişimi...172
XXXV ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 6.88 SMER değişimi... 173 6.89 MER değişimi... 173 6.90 COP değişimi... 174 6.91 Nem alma verimi değişimi... 174 6.92 Kuruma hızı değişimi... 175 6.93 Deri 1 için nem değişimi... 175 6.94 Deri 1 için kuruma eğrisinin değişimi... 176 6.95 Deri 3 için nem değişimi... 176 6.96 Deri 3 için kuruma eğrisinin değişimi... 177 6.97 Deri 4 için nem değişimi... 177 6.98 Deri 4 için kuruma eğrisinin değişimi... 178 6.99 Deri 6 için nem değişimi... 178
XXXVI ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 6.100 Deri 6 için kuruma eğrisinin değişimi...179 6.101 Nem oranı değişimi...179 6.102 08.12.2005-Deney No:5 için en uygun dört nem oranı-zaman eğrisinin MATLAB 6.5 programı ile elde edilmesi...182
XXXVII SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklamalar. Q Soğutulan ortamdan çekilen ısı, (k W). L Q Daha sıcak ortama verilen ısı, (k W) H T L T H T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 T 9 Soğutulan ortamın sıcaklığı, (C) o Isı verilen ortamın sıcaklığı, (C) o Kabin giriş sıcaklığı, (C) o Kabin çıkış sıcaklığı, (C) o Buharlaştırıcı çıkış sıcaklığı, (C) o Yoğuşturucu çıkış sıcaklığı, (C) o Kabin iç sıcaklığı, (C) o Kabin iç sıcaklığı, (C) o Kabin iç sıcaklığı, (C) o Kabin iç sıcaklığı, (C) o Kabin iç sıcaklığı, (C) o T çevre Çevre sıcaklığı, (C) o T buharlaştırıcı Buharlaştırıcı çalışma sıcaklığı, (C) o
XXXVIII SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam) Simgeler Açıklamalar T yoğuşturucu Yoğuşturucu çalışma sıcaklığı, (C) o φ 1 Kabin giriş havası bağıl nemliliği, (%) φ 2 Kabin çıkış havası bağıl nemliliği, (%) φ 3 Buharlaştırıcı çıkış havası bağıl nemliliği, (%) φ 4 Yoğuşturucu çıkış havası bağıl nemliliği, (%) ν 1 ν 2 ν 3 ν 4 Kabin giriş havası özgül hacmi, Kabin çıkış havası özgül hacmi, 3 ( m / kg a ) 3 ( m / kg a ) Buharlaştırıcı çıkış havası özgül hacmi, Yoğuşturucu çıkış havası özgül hacmi, 3 ( m / kg a ) 3 ( m / kg a ) h 1 Kabin giriş havası entalpisi, ( kj / kg a ) h 2 Kabin çıkış havası entalpisi, ( kj / kg a ) h 3 Buharlaştırıcı çıkış havası entalpisi, ( kj / kg a ) h 4 Yoğuşturucu çıkış havası entalpisi, ( kj / kg a ) h w Buharlaştırıcıda yoğuşan suyun entalpisi, ( kj / kg a ) w Kurutucu giriş havası özgül nemi, ( kg 1 w / kg ) a
XXXIX SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam) Simgeler Açıklamalar w Kurutucu çıkış havası özgül nemi, ( kg / kg ) 2 w Buharlaştırıcı çıkış havası özgül nemi, ( kg / kg ) 3 w Yoğuşturucu çıkış havası özgül nemi, ( kg 4 w w w a a / kg ) a w a m 0 Kurutucu girişindeki havanın adyabatik doyma özgül nemi, ( kg w / kg ) a t=0 için kurutulan ürün kütlesi, (kg) m t=t için kurutulan ürün kütlesi, ( kg) t m t + t t=t+ t için kurutulan ürün kütlesi, ( kg) m 1 Kurutmadan önceki deney numunesi ağırlığı, ( kg ) m 2 Kurutmadan sonraki deney numunesi ağırlığı, ( kg ). m Kabin girişindeki toplam kütlesel debi, ( kg. 1 3 a / s) m Buharlaştırıcı üzerinden geçen kütlesel debi, ( kg / s). m Yoğuşturucu üzerinden geçen kütlesel debi, ( kg / s) 4. m w Buharlaştırıcı üzerinde yoğuşan su kütlesi, (. e a kg w ) 3 V Buharlaştırıcıdan geçen havanın hacimsel debisi, ( m / h) a
XL SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam) Simgeler Açıklamalar. 3 V Kurutma havası hacimsel debisi, ( m / h) ρ η Kurutma havası yoğunluğu, Nem alma verimi ( kga / m 3 ) t Kuruma süresi, ( h ) 2 A Kurutulan maddenin yüzey alanı, ( m ) SMER Isı pompası için özgül nem alma hızı, ( kg / kwh) hp SMER Tüm sistem için özgül nem alma hızı, ( kg ws MER Anlık kuruma hızı, ( kg w / h) SEC Özgül enerji kullanımı, ( MJ / kg ) w w / kwh) COP hp Isı pompası etkinlik katsayısı. W Soğutucu akışkan üzerinde yapılan sıkıştırma işi, (k W) g COP ws Tüm sistem için etkinlik katsayısı. W sistem Tüm sistem üzerinde yapılan iş, (k W) COP Carnot Carnot verimliliği MR Nem oranı
XLI SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam) Simgeler Açıklamalar M db, t Kuru madde esasına göre t anındaki nem miktarı, ( kg / kg ) w dm M db,0 Kuru madde esasına göre t=0 anındaki nem miktarı, ( kg / kg ) w dm M wb,1 Yaş madde esasına göre kurutma öncesindeki nem miktarı, ( kg / kg + kg ) w dm w M wb,2 Yaş madde esasına göre kurutma sonrasındaki nem miktarı, ( kg / kg + kg ) w dm w W R x Kısaltmalar Belirsizlik miktarı Bir fonksiyon Bağımsız değişken Açıklamalar BAR RAR TEP Yoğ. Buh. Dışarıdan dolaştırılan hava oranı Çevrim havası oranı Ton eşdeğer petrol Yoğuşturucu Buharlaştırıcı
1 1. GİRİŞ Kurutma işlemi gazlardan, sıvılardan veya katılardan su veya diğer sıvıların uzaklaştırılmasıdır. Bununla beraber kurutma teriminin en yaygın kullanım yeri katı maddelerden ısıl yöntemlerle su veya uçucu diğer maddelerin uzaklaştırılması işlemini tanımlamaktadır [Güngör ve Özbalta, 1997]. Kurutma gıda maddelerinin korunmasında kullanılan en önemli yöntemlerden biri olup kimya ve üretim süreçlerinde yaygın olarak kullanılan bir işlemdir [Özbalta ve Güngör, 2000]. Kimyasal süreçlerin en önemli basamaklarından biri kabul edilen kurutma, bir ürünün satışa sunulmasından önceki görünüm ve mukavemet özelliklerini en iyi yansıttığı rutubet seviyesine getirilmesi için uygulanan bir işlemdir. Kurutma işlemi ısı ve kütle aktarımının aynı anda gözlendiği karmaşık bir olaydır. İşlem sırasında kurutucu gazdan katıya doğru ısı aktarımı gerçekleşir. Ürünün kullanım kalitesi ile dayanım özelliklerinin olumsuz etkilenmesinden dolayı, bu işlemde son kurutma derecesinin çok önemli olduğu kabul edilmektedir. Bu sebeple kontrollü şartlarda gerçekleştirilmesi önemlidir [Başaran, Bitlisli, Sarı, Özbalta ve Güngör, 2004]. Kurutma işleminin uygulanması ile malzemenin ekonomik olarak işlenmesi, nakliyesi için kütlesinin azaltılması, daha sonraki üretim aşamalarında gerekli koşulların sağlanması, ürünün sterilazyonu veya korunması, çözeltilerden bazı ürünlerin geri kazanılması gerçekleştirilebilir. Birçok sektörde kurutma için tüketilen enerji toplam enerji tüketimi içinde önemli bir paya sahiptir. Bu oran kimyada % 6, tekstilde % 5,
2 seramik ve diğer inşaat malzemeleri üretiminde % 11, kereste kurutmada % 11, gıda ve tarımsal ürünlerin kurutulmasında % 12 ve kağıt endüstrisinde % 33 düzeylerine ulaşabilmektedir. Enerji tüketiminin yüksek olduğu konvektif kurutucularda nemin buharlaştırılması için gerekli enerji ve kurutucu akış havasıyla enerji kaybı, sistemin toplam enerji gereksiniminin önemli bir bölümünü oluşturur (Çizelge 1.1). Çizelge 1.1 Bir konvektif kurutucuda enerji tüketiminin dağılımı [Özbalta ve Güngör, 2000]. Tüketim Noktaları Enerji Gereksinimi kj/h % Buharlaştırma 975400 55 Kurutucu çıkış havası 521200 30 Destek donanımı 143900 8 Işınım kayıpları 47900 3 Sistemin ısıtılması 45800 3 Fan 13300 1 Çizelge 1.2 de görüldüğü gibi, enerji yoğun bir süreç olan kurutmada kurutma etkinliği kurutucu tipine bağlı olarak % 20 ile % 90 arasında değişmektedir [Özbalta ve Güngör, 2000].
3 Çizelge 1.2 Değişik kurutucularda kurutma etkinlikleri [Özbalta ve Güngör, 2000]. Kurutucu Tipi Etkinlik (%) Kurutucu Tipi Etkinlik (%) Direkt Sürekli İndirekt Sürekli Konvektif 20 40 Silindirik 85 Flash 50 75 Döner 75 90 Bantlı 40 60 Kesikli Döner 40 70 Karıştırıcılı, tepsili 90 Püskürtmeli 50 Vakumlu döner 70 Tünel 35 40 İnfrared 30 60 Akışkanlaştırılmış Yatak 40 80 Dielektrik 60 Kesikli, raflı 85 Bu noktada Araştırma ve Geliştirme (Ar Ge) açısından kurutmanın ne kadar etkileyici ve önemli olduğunu gösteren bazı özellikleri belirtmekte yarar vardır. 1. Ürünün boyutu mikron mertebesinden, santimetrenin katlarına kadar çıkabilir (kalınlık ya da derinlik olarak). 2. Ürünün gözenekli yapısı yüzde olarak 0 dan 99 a kadar değişebilir. 3. Kurutma zamanı 0,25 saniyeden (ince kağıdın kurutulması esnasında) beş aya (bazı sert ağaç türleri için) kadar çıkabilir. 4. Üretim kapasitesi 0,10 kg / h ile 100 t/ h arasında değişebilir. 5. Ürün hızı sıfır ile (sabit durum) 2000 m/ s (ince kağıdın kurutulması esnasında) arasındadır.
4 6. Çalışma basıncı milibar mertebesinden 25 atmosfere kadar çıkabilir. 7. Isı sürekli ya da aralıklı olarak taşınım, iletim, ışınım ya da elektromanyetik dalgalar halinde transfer edilebilir. Kurutma besleme stoğuna ısı verilip sıvının buharlaşmasını sağlayarak gerçekleşir. Daha önceden belirtildiği gibi ısı taşınımla (direkt kurutucular), iletimle (temasla ya da indirekt kurutucular), ışınımla ya da hacimsel olarak ıslak materyali mikrodalga (microwave) ya da yüksek frekanslı (radio frequency) elektromanyetik dalgaya yerleştirmekle sağlanabilir. Endüstriyel kurutucuların % 85 i kurutma aracı olarak hava ya da doğrudan yanma gazlarını kullanan taşınımlı kurutuculardır. Uygulamaların % 99 u suyun uzaklaştırılmasını içerir. Dielektrik (mikrodalga ya da yüksek frekans) yöntemi dışında bütün uygulamalarda kurutma objesinin sınırlarına ısı verilir, böylece ısı öncelikle iletimle malzemenin içine transfer edilir. Nem, taşıyıcı gaz tarafından uzaklaştırılmadan önce malzemenin yüzeyine transfer olmalıdır [Mujumdar and Devahastin, 2000]. İlerleyen bölümlerde kurutma sistemleri ve seçimi, ısı pompalı kurutucular ve çalışma prensipleri, deri kurutma teknikleri ve kurutmanın deri endüstrisindeki yeri ile ısı pompalı kurutucu tasarımı ve bu tasarımın kullanılmasıyla yapılan deneylere ait sonuçlar verilmiştir.
5 2. KURUTMA SİSTEMİ TİPLERİ VE SEÇİMİ 2.1 Kurutma Sistemi Seçimi gibidir: Bir kurutma sisteminin seçimi genel işlem sıralaması aşağıdaki 1. Uygun kurutucuların incelenmesi 2. Değişik tiplerin ön maliyetlerinin tahminlenmesi Yatırım maliyeti İşletme maliyeti 3. Prototip veya laboratuar ünitesinde kurutma testi davranışları en uygun cihazın tipini belirleyebilir. Bazen bir örnek tesiste bu doğrulanabilir. 4. Kurutma deneylerinde kurutulan ürünlerin örnek ve kalitelerinin belirlenmesi. Değişik gereksinimler kurutucunun tasarım esaslarını belirler. Örneğin ürünün kurutucuda taşınması çok önemli olup kurutucuda kalma süresiyle yakından ilgilidir. Ürünün başlangıçtaki durumu (sıvı, pasta, katı, toz, granüler, levha vb) tasarım esaslarında büyük etkiye sahiptir. Çizelge 2.1 de bazı ürünlerin kuruma sıcaklıkları ve kurutma süreleri verilmiştir [Güngör ve Özbalta, 1997]. Çizelge 2.2 de ise kurutucu tiplerine göre üründen uzaklaştırılan su başına harcanan enerjiler görülmektedir [Başaran, Bitlisli, Sarı, Özbalta ve Güngör, 2004].
6 Çizelge 2.1 Bazı ürünlerin kuruma sıcaklıkları ve kurutma süreleri [Güngör ve Özbalta, 1997]. Malzeme Cinsi Kurutma Sıcaklığı ( C) Hafta Gün Saat Meşe Tahtaları 32 52 1 4 Yumuşak Tahtalar 70 105 2 14 Tuğlalar 77 30 Kahve 50 72 12 48 Kauçuk 36 60 2 6 Kabuksuz Hindistan Cevizi 65 92 4 20 Meşin ve Köseleler 26 38 2 6 Meyveler 55 80 6 24 Üzüm 60 65 24 Elma 1. Kademe 70 88 2. Kademe 74 8 Şeftali, Armut 68 24 30 Şerbetçi Otu 50 65 6 12 Sebzeler 50 65 2 18 Havuç 1. Kademe 70 2. Kademe 65 14 24 Mantar 1. Kademe 44 2. Kademe 65 Soğan 1. Kademe 70 88 2. Kademe 55 60 10 15 Deriler 21 32 2 150 Fırın Boyaları 105 175 1/4 6 Sabun 38 52 12 72 Tütün Yaprakları 29 55 12 Çay Yaprakları (Fanaj veya ilk kurutma) 38 4 8 Çay Yaprakları (Kurutma) 70 110 1 2
7 Çizelge 2.2 Kurutucu tiplerine göre üründen uzaklaştırılan su başına harcanan enerjiler [Başaran, Bitlisli, Sarı, Özbalta ve Güngör, 2004]. Kurutucu Tipleri Isı Pompalı Kurutucu 0,5 0,8 Direkt Egzoz Gazları İle Çalışılan Kurutucu 3,2 3,8 Hava İle Çalışan Kurutucu 70 100 o C 4,5 5,5 Kazandan Alınan Egzoz Gazları İle Kurutma (400 o C) 5,0 6,0 Kazandan Alınan Egzoz Gazları İle Kurutma (200 o C) 9,0 12,0 Bantlı ve Tünel Kurutucular Ters Akışlı Tepsili-Bantlı Ters Akışlı Raflı-Tünel Arasından Akışlı Tepsili-Bantlı Vakumlu Tepsili-Bantlı-Levhalı MJ/kg Uzaklaştırılan Su 8,0 16,0 6,0 16,0 5,0 12,0 3,5 8,0 Kurutma cihazlarının seçimi aşağıdaki sıralama dahilinde gerçekleştirilir. a) Kurutucuların ön seçimi: Islak malzeme ve kuru ürün teminine en uygun kurutucu tipleri ön seçimi gerçekleştirilir. Kurutucularda bütün işlemlerin sürekliliği ve istenen fiziksel ve kalite özelliklerini elde etmesi ön koşulu aranır. b) Kurutucuların ön karşılaştırılması: Ön seçilen kurutucular elde edilebilen veriler ışığında yaklaşık maliyet ve verimlilik açısından karşılaştırılır. Bu değerlendirmede verimlilik açısından uygunsuz veya ekonomik olmayan kurutucular sonraki değerlendirmelerde dikkate alınmaz. c) Kurutma denemeleri (testleri): Bu denemeler halen değerlendirmeye alınmakta olan kurutucu tipleri için gerçekleştirilir. Bu testler en iyi çalışma koşullarını ve ürün
8 karakteristiklerini belirler ve ayrıca cihaz satıcı firmaların aktardıkları bilgilerin doğruluğunun sınanmasını sağlayacaktır. d) Kurutucu seçiminde karar verme: Kurutma testlerinden ve belirtilen özelliklerin değerlendirilmesiyle kurutucu seçimine karar verilebilir [Güngör ve Özbalta, 1997]. 2.2 Kurutucuların Sınıflandırılması Uzun seneler süren deneysel çalışmalar sonunda çok değişik tipte cihazlar meydana getirilmiştir. Hatta birbirine çok benzer uygulamalar için, birbirinden oldukça farklı birkaç cihaz kullanılmaktadır. Bu sadece, o endüstri kolunda uzun seneler boyunca meydana gelmiş alışkanlığın eseridir [Banchero and Badger, 1973]. Isı transfer yöntemine göre endüstriyel kurutucuların sınıflandırılması şöyledir: 2.2.1 Direkt kurutucular Bu tip kurutucularda kurutma için gerekli ısının transferi ıslak ürün ile sıcak gazlar arasında direkt temas yoluyla gerçekleşir. Buharlaşan sıvı ise kurutma ortamı olan sıcak gazlar tarafından kurutma hacminden uzaklaştırılır. Direkt kurutucular ayrıca taşınım kurutucuları olarak da adlandırılır. a) Sürekli kurutucular: Kurutma işlemi, kurutulacak ıslak ürün beslendiği müddetçe devam eder. İstendiğinde bu tip kurutucular kesikli olarak da çalıştırılabilirler.
9 1) Sürekli tepsi tipi kurutucular: Örnek olarak sürekli metal kayışlı, titreşimli, tepsili sıcak gaz kullanan, dikey turbo kurutucu verilebilir. Şekil 2.1 de turbo kurutucu gösterilmektedir. Şekil 2.1 Dikey turbo kurutucu [Mujumdar, 2000]. 2) Sürekli levha tipi malzeme kurutucuları: Bu tip kurutucularda sürekli levha tipi malzeme kurutucu içinde sarkan veya gergin yapıdayken sıcak gaz akımı altında kurutma gerçekleşir [Güngör ve Özbalta, 1997]. Tekstil maddelerinin ve bazı cins kağıtların, özellikle baskı maksadı ile fazla miktarda dolgu yapılmış kağıtların kurutulmasında kullanılırlar. Bu kurutucuların bir tipi Şekil 2.2 de gösterilmektedir [Banchero and Badger, 1973].
10 Şekil 2.2 Askı kurutucu: A, kurutucuya giren levha; B, askılar veya kolonlar; C, çapraz çubuklar; D, askı fanları; E, hava nozulu; F, levha çıkışı; G, ürün silindiri; H, vantilatörler; J yön değiştirme levhaları; K, ısıtıcılar; L, hava çıkışı; M, hava kontrol kapakları [Banchero and Badger, 1973]. 3) Pnömatik taşımalı kurutucular: Bu tip kurutucularda, kurutma genellikle öğütme işlemi ile birlikte yapılır. Kurutulacak malzeme yüksek sıcaklıklı ve yüksek hızlı gazlarla bir siklon tipi ayırıcıya (kollektöre) taşınır ve bu işlem esnasında kurutma işlemi de gerçekleşir. 4) Döner kurutucular: Şekil 2.3 de görülen bu tip kurutucularda malzeme döner silindir içinde hem taşınır, hem de serbest düşmeyle duşlama benzeri silindir alt yüzeyine düşer. Bu esnada malzeme sıcak gaz akımı ile temas ederek kuruma işlemi gerçekleşir. Bazı döner kurutucular indirekt ve direkt tiplerin birleşimidir. Örneğin sıcak gazlar önce iç gövde ve sonra iç ve dış gövde arasından geçer ve ıslak katı madde ile temas eder.
11 Şekil 2.3 Döner kurutucu: A, hava ısıtıcısı; B, sabit başlık; C, kurutucu gövdesi; D, sızdırmazlık halkası; E, sızdırmazlık halkası dayanağı; F, sızdırmazlık parçası; G, çemberler; H, dayanma silindirleri J, güvenlik (saplama) silindirleri; K, döndürme dişlileri; L, motor ve hız düzenleyici; M, hava çıkış başlığı; N, besleme oluğu; P boşaltma vantilatörü; Q, kanatlar [Banchero and Badger, 1973]. 5) Püskürtmeli (spray) kurutucular: Püskürtmeli kurutucular genellikle süt tozu, kahve, sabun ve deterjan üretiminde kullanılırlar [Güngör ve Özbalta, 1997]. Şekil 2.4 de püskürtmeli kurutucu ünitesinin süreç şeması görülmektedir. Spray formundaki toz haline getirilmiş besleme ürünü özel olarak tasarlanmış bir kurutma haznesinde sıcak gazla temas eder. Kurutucu besleme türü (viskozite), besleme ürününün aşındırıcı etkisi, besleme oranı, arzu edilen parçacık boyutu ve parçacık dağılımı ile paralel, karşıt ve karışık akım için kurutma haznesi ve akış türünün tasarlanması püskürtmeli kurutucunun çalışmasını etkilediğinden dolayı püskürtücünün uygun tasarlanması ve seçimi püskürtmeli kurutucu için çok önemlidir [Mujumdar, 2000].
12 Şekil 2.4 Püskürtmeli kurutucu ünitesinin süreç şeması [Mujumdar, 2000]. 6) Ara dolaşımlı kurutucular (bantlı kurutucular): Bu kurutucularda malzeme sürekli bir iletim bandı üzerinde kurutucu içinde hareket eder ve bu esnada arasından sıcak kurutma havası üflenir [Güngör ve Özbalta, 1997]. Bu tip kurutucular çok yönlüdür ve aynı zamanda hem ısıya duyarlı hem de kırılgan olan büyük miktardaki gelişigüzel şekilli yükleri taşıyabilir. Çok büyük ticari bant tipi kurutucuların tasarımında, bant üzerindeki ürünün düzgün bir şekilde dağılması ve ayrıca kurutucunun bulunduğu kurutma odasında ürünün dengeli bir neme sahip olması için havanın da eşit bir şekilde dağılması çok önemlidir. Şekil 2.5 de tek geçişli bant tipi kurutucu görülmektedir [Mujumdar, 2000]. Şekil 2.5 Bant tipi kurutucu [Mujumdar, 2000].
13 7) Tünel kurutucular: Bu tip kurutucularda malzeme bir tünel içinde hareket eden kurutma vagonları içine uygun bir biçimde yerleştirilir. Bu esnada malzeme sıcak gazlarla temastadır [Güngör ve Özbalta, 1997]. Tünel kurutucularda vagonların tünel içerisinden geçirilmesi, ya devamlı veya kuruma işlemi tamamlanan bir vagon, tüneli terk ederken yeni yüklenmiş bir vagon tünele girecek şekilde düzenlenir. Tünel kurutucuda hava akımı paralel, zıt veya vagonların takip ettikleri yola dik yönde olabilir. Bu son sistem, kurutucunun muhtelif bölümleri için ayrı ısıtma üniteleri uygulanmasına imkan verir. Bu durumda hava, tünel içersindeki vagonlar üzerinden geçirildikten sonra, bir ısıtıcıda ısıtılıp tekrar aynı kısımdaki vagonlara gönderilir. Tünel kurutucular genellikle miktarları büyük olan, fakat yavaş yavaş kurumaları gereken tuğla, kiremit, seramik malzemeler, kereste ve diğer malzemeler için de kullanılır. Bu sistemle kereste kurutulması esnasında, kurutucunun sıcak kısmında kerestenin çok çabuk kurumasını önlemek için, havanın nemlendirilmesi lüzumlu olabilir [Banchero and Badger, 1973]. Şekil 2.6 da tünel tipi bir kurutucu görülmektedir [Mujumdar, 2000]. Şekil 2.6 Tünel kurutucu [Mujumdar, 2000].
14 8) Akışkan yataklı kurutucular: Akışkanlaştırılmış yatakta tanecik yapısındaki maddeler arasından kurutma ortamı olarak gaz akımı geçirilir. Gaz hızı çok dikkatli ayarlanmalıdır. Toz veya taneli yapıdaki malzeme ile akışkanlaştırma gazı arasında temas çok iyi olduğundan, kurutma havası ve tanecikler arasında ısı transferi de etkin şekilde gerçekleşir. Bu mekanizma ile büyük sıcaklık farkları sakıncası olmaksızın malzemelerin kurutulması mümkündür. Otomatik yükleme ve boşaltmanın mümkün olduğu bu sistemin en önemli avantajı kurutma işleminin kısa sürede tamamlanmasıdır. Akışkanlaştırılmış yatak kömür, kireçtaşı, şişt, fosfat, plastik ilaç tabletleri kurutulması için uygundur [Güngör ve Özbalta, 1997]. 9) Isı pompalı kurutucular: Isı pompalı kurutucular detaylı bir şekilde üçüncü bölümde incelenmiştir. b) Kesikli kurutucular: Bu tip kurutucular belirli bir zaman aralığında belirli miktarda yaş ürünün kurutulması amaçlı tasarlanır. Kesikli kurutucularda nem miktarı ve sıcaklık koşulları kurutucunun herhangi bir noktasında sürekli olarak değişim gösterir. 1) Kesikli çalışan malzeme arasından sirkülasyonlu kurutucular: Malzeme elek yapılı tepsiler üzerindeyken sıcak hava üflenir [Güngör ve Özbalta, 1997]. 2) Tepsi ve kabin tipi kurutucular: Cihaz esas itibariyle dikdörtgen şeklinde bir odadan ibaret olup, bu odanın duvarları uygun bir ısı yalıtım maddesi ile kaplanmıştır. Bu odaların içersinde ya tepsilerin yerleştirildiği ve üzerlerinde kolayca kaydığı raflar vardır veya tamamen boş olup, tepsiler vagonlar üzerindeki raflara yerleştirildikten sonra, bu
15 odalara konulur ve kurutucunun kapıları kapatılır. Havayı tepsiler üzerinde ve kurutucu içersinde dolaştıracak tedbirler alınıştır. Bu tip kurutucularda havanın ısıtılması cihaz içersindeki ısıtıcılar tarafından yapılır ve dışarıdan sıcak hava alınmaz. Oldukça yaygın böyle bir kurutucu Şekil 2.7 de görülmektedir [Banchero and Badger, 1973]. 3) Akışkan yataklı kurutucular: Katı kurutulan maddeler bir sabit tank içinde akışkanlaştırılır. Akışkanlaştırma sıcak gaz akımı ile yapılabileceği gibi ısıtma serpantinleri de kullanılabilir. Şekil 2.7 Tepsili kompartıman kurutucu: A, tepsileri taşıyan vagon; B, taze (temiz) hava girişi; C, hava çıkışı; D, vantilatör; E, yön verme kanatları; F, kanatlı borulardan meydana getirilmiş ısıtıcı [Banchero and Badger, 1973].
16 2.2.2 Özel kurutucular 1) İnfrared (kızılötesi) radyant ısılı kurutucular: Isıl ışınım, kızılötesi lambalar, buhar ısıtmalı kaynaklar ve elektrikle ısıtılmış yüzeyler tarafından sağlanır. Bu mekanizma ile malzemenin yüzeyine yakın bölgeleri ısındığından, ince levha yapısındaki malzemelerin kurutulması için uygundur. Isı transferi ısıl ışınım yayan malzemenin yapısı ve karakteristiği ile kurutulan maddenin özelliklerine bağlıdır ve ısıl verim düşük olabilir. Radyant ısıtma kağıt, tekstil gibi üzerinde motif desen içeren ürünlerin kurutulmasında kullanılır. Kurutulacak malzemenin yanabilir olması durumunda ise ürün ısı kaynağına yakın tutulmamalıdır [Güngör ve Özbalta, 1997]. 2) Dielektrik ısıtıcılı kurutucular: Nemli malzeme yüksek frekanslı elektrostatik alana yerleştirilirse, malzeme içinde ısı üretilir. Nemli bölgelerde kuru bölgelere göre daha fazla ısı üretilir. Bu şekilde malzeme içinde nem profili otomatik olarak düzenlenir. Su, malzeme aşırı derecede ısıtılmaksızın buharlaşır [Güngör ve Özbalta, 1997]. Bu yöntem sadece kontrplak tabakaları arasındaki reçinenin polimerizasyonu ve bu suretle, tabakaların birbirlerine yapışması için önem taşır. Bu yöntem de tam bir kurutma operasyonu sayılamaz. Kurutma için de kullanılması düşünülebilir; fakat çok pahalıdır [Banchero and Badger, 1973]. 3) Morötesi radyasyon kurutma: Morötesi kurutmada elektromanyetik radyasyon kullanılır. Monomer yapılı kaplamalar ve boyar maddeler UV radyasyon etkisinde kurutularak işlenir. Morötesi kurutmanın uygulanmasında en büyük sorun yüksek yatırım maliyetidir.
17 4) Mikrodalga kurutma: Mikrodalga kurutmada çok yüksek frekanslı (900 ile 5000 Mhz) güç kaynağı kullanılır. İletken olmayan maddelerin ısıtılmasına uygulandığından bir dielektrik formu olarak nitelenenebilir. Mikrodalga kurutma şerit şeklindeki ince malzemelere uygulanır. Sistem giriş ve çıkışında alınması gereken önlemler sürekli çalışmayı zorlaştırır. Sistemi çalıştırmak için gerekli emniyet önlemleri mikrodalga kurutmayı, dielektrik kurutmaya göre daha pahalı hale getirir. 2.2.3 İndirekt kurutucular Kurutmada kullanılan ısı bir ara duvardan geçerek nemli malzemeye ulaşır. Buharlaşan sıvı ise ısıtma ortamından bağımsız olarak kurutma ortamından uzaklaştırılır. Kuruma hızı ıslak malzemenin sıcak yüzeyler ile temasına bağlıdır. İndirekt kurutucular ayrıca iletim (kondüksiyon) kurutucuları veya temaslı kurutucular olarak da isimlendirilir. İletimle kurutma kağıt ürünlerinin kurutulması ve üretiminde yaygın olarak kullanılır. Ancak iletimle kurutmada, yüksek kuruma hızlarına ulaşamama, uniform olmayan ısı ve kütle transfer koşulları, kontrol problemleri, yüksek yatırım ve işletme maliyetleri gibi sorunlarla karşılaşabilir. Tüm bu olumsuzluklara karşın iletimle kurutmanın diğer kurutma sistemlerine dönüştürülmesi ilk yatırım, işletme ve bakım maliyetleri nedeniyle tercih edilmemektedir.
18 a) Sürekli kurutucular: Kurutma malzemesinin sürekli olarak kurutucu içinden geçmesi ve yüzeylerle teması ile gerçekleşir [Güngör ve Özbalta, 1997]. 1) Silindirik kurutucular: Bu kurutucular devamlı bir tabaka halindeki kağıt ve tekstil gibi maddelerin kurutulmasında kullanılırlar. Bunlar pek çok sayıda buharla ısıtılan silindirlerden meydana gelmiş olup, kurutulacak madde bu silindirler üzerinden devamlı geçer. Şekil 2.8, bu tip bir kurutucunun sadece bir kısmını göstermektedir. Silindirler A, iki farklı seviyede sıralanmış olup, aralarında levha halindeki kurutulacak madde B yer alır. Silindirleri taşıyan mil yatakları C, şekilde diagramatik olarak gösterilmektedir [Banchero and Badger, 1973]. Şekil 2.8 Silindir kurutucu: A, silindirler; B, levha yapısında kurutulacak madde; C, mil yatakları [Banchero and Badger, 1973]. 2) Drum kurutucular: Bu kurutucularda ısıtma buhar veya sıcak su ile gerçekleştirilebilir.
19 3) Helezon ileticili kurutucular: Bu kurutucularda süreklilik olmasına karşılık, vakum altında çalışma ekonomik olmaktadır. Kurutmada kullanılan çözgenin geri kazanımı olanaklıdır. 4) Buhar borulu döner tip kurutucular: Buhar veya sıcak su kullanılabilir. Çalışma hayli düşük negatif basınçta ekonomiktir ve kurutmada çözgen geri kazanımı gerçekleştirilebilir. 5) Titreşimli tepsili kurutucular: Bu kurutucularda ısıtma buhar veya sıcak su ile gerçekleştirilir. 6) Özel tipler sürekli: Kumaş kayış hareket ederek buharla ısıtılan levhalar üzerinden ısıyı alır. Malzeme ise kayış üzerinde bulunurken ısıyı temasla alır ve kurutulur. b) Kesikli kurutucular: Kesikli indirekt kurutucular genellikle vakum altında çalışmaya iyi uyumludur. Bu tip kurutucular ayrıca karıştırmalı veya karışımsız olarak da sınıflandırılabilirler. 1) Karıştırmalı kaplı kurutucular: Bu kurutucular atmosferik veya vakum altında çalışmaya iyi uyumludur [Güngör ve Özbalta, 1997]. Devamlı çalışan döner bir kurutucuda kurutulamayacak kadar yapışkan olan, tepsi veya kompartıman tipi kurutucuda kurutulacak kadar değerli olmayan pek çok maddenin kurutulmasında, çok değişik tipleri bulunan ve mekanik olarak karıştırılan kurutucular kullanılmaktadır. Bunların bir tipi Şekil 2.9 da gösterilmektedir. Şekilde gösterilen cihazda kurutucu gövdesi dönmez. Bu tip kurutucularda kurutucu içersinden hava geçirilmez. Kurutulması istenilen maddeden buharlaşan çözücü buharı, hava ile karışmadan J bağlantıları yardımı ile kurutucu dışarısına alındığı için, bu bir buharlaştırma operasyonudur. Bununla beraber bu
20 operasyondan maksat, katı bir madde topluluğu elde etmek ve çözücü miktarını azaltmak olduğu için, cihaz kurutucular arasında yer alır [Banchero and Badger, 1973]. Şekil 2.9 Mekanik olarak karıştırılan devamsız bir kurutucu: A, ceketli silindir; B, başlıklar; C, doldurma bağlantıları; D, boşaltma kapıları; E, karıştırıcı şaftı; F, salmastra kutusu; G, şaft yatağı; H, karıştırıcı kolları; J, buhar çıkışları; K, su buharı girişleri; L, kondensat çıkışları; M, şaftta meydana gelen yoğunlaşma için boşaltma sifonu [Banchero and Badger, 1973]. 2) Dondurmalı kurutucular: Dondurarak kurutma farmakolojik ürünler, serumlar, bakteri kültürleri, meyve suları, sebze, kahve ve çay özlerinin eldesinde, et ve süt üretiminde uygulanabilir. Malzeme önce dondurulur. Ardından kimyasal nem alıcı veya düşük sıcaklık yoğuşturucusu ile bağlantılı yüksek vakum uygulanan hacme alınır. Dondurulan malzemeye iletim veya kızılötesi radyasyon ile ısı geçişi sağlanır. Bu esnada uçucu element genellikle su süblimleşir ve yoğuşur, ya da nem alıcı madde tarafından absorplanır. Dondurarak kurutma genellikle 10 C ile 40 C arasında uygulanır. Dondurarak kurutma pahalı ve yavaş yürüyen bir işlemdir, ısıya duyarlı malzemeler için uygundur. [Güngör ve Özbalta, 1997]. 3) Vakumlu döner kurutucular: Atmosfer basıncı altında kaynama sıcaklığına kadar ısıtılmaları sakıncalı olan, hassas maddelerin
21 kurutulması için Şekil 2.10 da görülen vakum altında çalışan tek silindirli bir kurutucu kullanılabilir. A, tek bir kurutma silindiri olup, dökme demirden yapılmış geniş bir kaplama B ile sarılmış ve bu kaplamanın atmosfer basıncı altında şekil değiştirmemesi için, demir kuşaklar konulmuştur. Şekil 2.10 Vakum altında çalışan tek silindirli kurutucu: A, kurutma silindiri; B, kaplama; C, miller; D, döner bağlantı; E, besleme pompası; F, besleme akımı için giriş borusu; G, silindir besleme teknesi; H, yayıcı; J, kazıyıcı bıçak; K, kazıyıcı bıçağı ayarlayan çark; L, ürünü taşıyan konveyör; M, ürün tanklarına ait açıp kapama vanası; N, ürün depolama tankları; P, gözetleme pencereleri; Q, buhar çıkışı; R, bakım için giriş kapağı [Banchero and Badger, 1973]. 4) Vakumlu tepsi kurutucular: Pek çok durumlarda maddenin, atmosfer basıncı altında suyun buharlaşacağı sıcaklıktan daha düşük sıcaklıkta ve kısa zamanda kurutulması istenebilir. Böyle bir durumda
22 vakum altında çalışan raflı bir kurutucu kullanılır. Genellikle kesiti dikdörtgen şeklinde olan ve dökme demirden yapılmış bulunan bir odacık olup, bu odacık içersinde raflar bulunmaktadır. Rafların içleri boş olup, çalışma esnasında bu boşluklar sıcak su veya buharla doldurulurlar. Kurutulması istenilen madde raflardaki tepsilerin üzerine serilir. Kurutucunun kapısı kapatıldıktan sonra, bir vakum pompası yardımı ile kurutucu içersinde vakum temin edilir. Raflara verilen su buharı, tepsilerdeki maddeyi yavaş yavaş ısıtır ve kurutucu içersindeki basınç altında suyun buharlaşabileceği bir sıcaklığa yükseltir. Buharlaşan su, kurutucu ile vakum pompası arasında yer alacak bir yoğuşturucuda yoğunlaştırılır. Bu kurutucular özellikle (a) kurutulacak maddenin tepsilere yükleme ve boşaltma işi oldukça az olan pahalı maddeler ve (b) aynı kurutucuda zaman zaman çok değişik yapılış ve karakterde maddelerin kurutulması zorunluluğu olduğu haller için uygundur. Kullanış alanı geniş olan bu kurutucular atmosferik tipe oranla çok daha pahalıdır [Banchero and Badger, 1973].
3. ISI POMPALI KURUTUCULAR VE ÇALIŞMA PRENSİPLERİ 23 Yaşadığımız yüzyıl içinde tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de önem kazanan enerji bunalımının, birlikte getirdiği sakıncaları bir ölçüde olsa azaltmak amacıyla; ısı enerjisi gereksiniminin minimum seviyeye indirgenebileceği ısıtma sistemlerinin geliştirilmesine ve bunun pratik olarak uygulanmasına kuvvetle ihtiyaç duyulmaktadır. Isı pompaları, bu sistemlere bir örnek olarak verilebilir. Isı pompaları en basit tanımı ile ekonomik değeri olmayan düşük kaynaklı bir bölgedeki ısıyı, ısıtılması düşünülen bölgeye pompalayan ve bu işi yapmak için çok az enerji harcayan (yaklaşık % 20-25) bir sistemdir [Oktay, 1997]. Geleneksel kurutucularda, kurutucudan gelen nemli hava atmosfere bırakılır, bunun sonucu olarak da nemli havanın içerdiği buharlaşma gizli ısısı ile duyulur ısıdan yararlanılamaz. Bu enerji ısı pompalı kurutucu kullanılmasıyla geri kazanılabilir. Kurutucu çıkışındaki nemli hava, duyulur ve gizli ısısını geri verebileceği bir buharlaştırıcıdan geçirilir. Bu esnada havanın içindeki nem, buharlaştırıcının soğuk serpantin yüzeylerinde yoğuşarak daha düşük değerlere gelmektedir. Buharlaştırıcıda çekilen ısı, kurutucuya girmeden önce havanın ısıtılması için yoğuşturucuya çevrim akışkanı ile taşınır [Hawlader, Chou, Jahangeer, Rahman and Eugene Lau, 2003]. Bu bölümde öncelikle ısı pompası hakkında genel bilgi verilmiştir. Ayrıca ısı pompalı kurutucunun çalışma prensibi, ısı pompalı kurutucu modelleri ve ısı pompalı kurutma sisteminin faydaları ve sınırlamaları ile uygulamada karşılaşılan bazı sistemler incelenmiştir.