Tekil iplik üretim hattında soğutma sisteminin iplik üzerine olan etkisinin incelenmesi

Abstract

Üniversiteler ve AR-GE merkezleri, mevcut ürünleri iyileştirme ve yeni ürünleri geliştirme çalışmalarına odaklanmıştır. Bu çalışmalardan önce, yeni ürün geliştirme faaliyetleri deneme yanılma yoluyla ve tecrübeye dayalı olarak gerçekleştirilmekteydi. Deneme ve yanılma yoluyla, genellikle optimum sonucu elde etmek, oldukça güçtür. Bu denemeler, çok kaynak ve zaman harcanmasına neden olmaktadır. Araştırmacılar, iplik üretim tesislerinde optimum proses şartlarını bulabilmek için çalışmaktadır. İplik çekme prosesinde, polimerin özelliklerini etkileyecek birçok parametre bulunmaktadır. Ancak, iplik soğutma prosesindeki sıcaklık ve hava hızı parametreleri, iplik fiziksel özelliklerini doğrudan etkileyen ve kontrol edilebilir başlıca parametrelerdir. Gerçekleştirilen bu tez çalışmasının amacı, iplik soğutma proses şartlarında, iplik sıcaklık profilinin ortaya konulması için taşınım ile gerçekleşen ısı transfer katsayılarının belirlenmesidir. Tez çalışması yedi ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde çalışmaya başlama nedenleri ve ulaşılmak istenen sonuçlar genel olarak açıklanarak giriş yapılmıştır. İkinci bölümde, iplik çekme prosesi, deneysel tasarım ve modelleme çalışmaları hakkında genel bilgiler paylaşılmıştır. Ardından, çalışmada referans alınan şartların daha iyi anlaşılabilmesi için, iplik soğutma prosesi tanıtılmıştır. Ardından, deneysel tasarım mekanizmaları ve deneysel sonuçların incelenmesine yönelik araç ve gereçler açıklanmıştır. Üçüncü bölümde, konu ile ilgili önceki araştırmacıların yayınları verilmiştir. Bu yayınların tez konusu ile ilgili kısımları vurgulanmış, tez çalışmasının bu yayınlardan farkı belirtilmiştir. Literatür çalışması temel olarak, iplik çekme prosesi, iplik soğutma prosesi ve taşınım ısı transfer katsayılarının belirlenmesi konu başlıklarından oluşmaktadır. Literatür araştırmasının ardından konu ile ilgili ticari patentlere ve patent başvurularına da yer verilmiştir. Gerçekleştirilen literatür çalışmalarında araştırmacılar, kendi çap aralığı ve hız aralığında deneylerini gerçekleştirmiştir. Literatürdeki hiçbir çalışma, çap değerinin 0,2 mm ile 1,0 mm aralığında, hat hızının 120 m/dk’dan düşük olduğu durum için çalışmalar gerçekleştirmemiştir. Daha yüksek hat hızları (5000 m/dk’ya kadar) ve daha düşük iplik çap değerleri (10-100 μm) üzerine çalışıldığı için, Reynolds sayısı aralığı da oldukça yüksektir. Bu tez çalışmasında ise tekil iplik üretim hattı referans alınarak parametreler seçilmiştir. Dördüncü bölümde, tel yüzey sıcaklığı hesaplamasıyla ilgili teorik çalışmalara yer verilmiştir. Ayrıca, bir boyutlu Newtonian ve Newtonian olmayan akış denklemleri, kütle dengesi, enerji dengesi ve kuvvet dengesi kullanılarak ortaya konulmuştur. Denklemler, Euler metoduyla nümerik olarak çözülmüştür. Beşinci bölümde, Yıldız Teknik Üniversitesi’nde gerçekleştirilen deneysel çalışmalara yer verilmiştir. Deney düzeneğinin kurulumu, ekipmanları ve deneylerin nasıl gerçekleştirildiği açıklanmıştır. Deneysel çalışmalardan önce, test düzeneğinin ve ölçüm sisteminin belirsizlik analizleri yapılmıştır. Test düzeneğinin ilgili parametreleri anlamlı bir şekilde ölçüp, ölçemeyeceği irdelenmiştir.Deneysel tasarımlar ve analizler, ticari bir yazılım olan Matlab programında gerçekleştirilmiştir. 0,2 mm ile 1,0 mm aralığındaki çaplarda 5 farklı direnç teli ile deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan hava hızları 0,5 ile 5,0 m/sn aralığında değişmektedir. Tel çapı ve hava hızı değerleri, tekil iplik üretim prosesinin soğutma sistemi referans alınarak belirlenmiştir. Deneyler hem çapraz hem de paralel akış için gerçekleştirilmiştir. Literatür çalışmaları kapsamında, paralel akış için gerçekleştirilen deneysel çalışmalar, Kase ve Matsuo, Golzar, Okoshi, Zieminski, Glicksman, Copley ve Brünig korelasyonları ile karşılaştırılmıştır. Çapraz akış kapsamında gerçekleştirilen deneysel çalışmaların sonuçları, literatürde bulunan Churchill ve Bernstein, Hilpert, Fand ve Keswani, Mc Adams, Dito, Kase ve Matsuo ve Brünig korelasyonları ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca bunların, deneysel çalışmadan % olarak sapma miktarları verilmişir. Deney sonuçları, benzer Reynolds sayısı aralığında, literatürdeki çalışmalar ile uyum içerisindedir. Altıncı bölümde, Matlab ticari yazılımı ve dördüncü bölümde elde edilen denklemler kullanılarak, iplik hızı, iplik çapı ve gerilme değerlerinin elde edildiği simulasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Model sınırları, düzeden çıkan polimer ile ilk sarım godeti arasıdır. Polimer akışı, bir boyulu Newtonian ve Newtonian olmayan akış olarak kabul edilerek, her iki durum için simulasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, polimerin moleküler yapısı ve kristalizasyon etkileri dikkate alınmamıştır. Kurulan modelin doğrulanması için, gerçekleştirilen simulasyon sonuçları ile aynı zamanda Kordsa Teknik Teksil A.Ş.’nin de danışmanı olan Dr. Kikutani’nin çalışma sonuçları karşılaştırılmıştır. Yedinci bölümde sonuçlar değerlendirilerek öneriler sunulmuştur