Toz torbasız elektrik süpürgelerinde toz dağılımının sayısal modellenmesi ve toz haznesinin toz toplama veriminin belirlenmesi

Temizlik, insanların var oluşundan beri süregelen bir kavramdır. Özellikle kişisel temizlik başta olmak üzere yaşam alanı temizliği de insan sağlığı için çok önemli bir parametredir. İnsanlar, ilk çağlarda temizlik anlayışına çok önem vermemişler ve temizlenmemenin beraberinde getirdiği sağlık sorunları nedeniyle erken yaşlarda hastalıklara yakalanarak yaşamlarını yitirmişlerdir. Tecrübe ve bilincin git gide artmasıyla birlikte temizlik ve hijyen kavramları toplumlar içine iyice yerleşmiş ve insanların ortalama yaşam sürelerinde artış meydana gelmiştir. Yaşam alanlarını virüs ve bakterilerden arındırmak için daha da özenle temizlemeye başlamışlar ve bugünkü temizlik anlayışının bir nevi temellerini atmışlardır. İlkel çağlardan gelişmiş çağlara doğru gelindikçe elle temizliğin yerini çalı süpürgeler almış; hatta günümüzde kullanılan süpürgeler icat edilmiştir. Süpürgenin icadıyla birlikte yaşam bölgeleri daha steril hale gelmiştir. Teknoloji ilerledikçe süpürgeler de kendi içlerinde gelişmeye başlamıştır. İlk olarak üretilen toz torbalı süpürgelerin yerini günümüzde birçok yeni teknoloji almıştır. Bunlara örnek olarak; toz torbasız süpürgeler, sulu süpürgeler, robotik süpürgeler vb. gibi farklı teknolojiye sahip örnekler gösterilebilir. Günümüzde evlerde elektrikli süpürgeler yaygın şekilde kullanılmaktadır. Kullanıcının isteğine göre seçilen toz torbalı ve toz torbasız süpürgeler en yaygın olarak kullanılan süpürge çeşitleridir. Toz torbalı ve toz torbasız süpürgelerin kendi içlerinde birçok avantajı olmasına rağmen dezavantajları da oldukça fazladır. Toz torbasız süpürgeler; toz torbalarının değiştirilmesi, toz torbasını yerinden çıkarırken etrafa tozun saçılması gibi belli başlı dezavantajlara sahipken toz torbasız süpürgelerde toz torbası bulunmadığı için ve dolayısıyla toz torbanın yenilenme maliyetinin olmamasından dolayı avantajlıdırlar. Toz torbasız süpürgeler, bu avantajlarından ötürü son yıllarda oldukça popüler olmaya başlamışlardır. Artan popülarite ve çalışma prensiplerinin ilginç olmasından dolayı toz torbasız (siklonik) süpürgelerdeki toz toplama veriminin belirlenmesi yüksek lisans tez çalışması konusu olarak seçilmiştir. Bu kapsamda gerçekleştirilen sayısal ve deneysel çalışmalar ile bir toz torbasız süpürge haznesinin tekil olarak toz toplama verimi belirlenmiş ve bazı tasarımlar ile kıyaslanmıştır. Tez çalışması yedi ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, öncelikle insanoğlu ve yaşam alanı temizliğinden bahsedilmiştir. İlkel zamanlardan itibaren insanların gittikçe bilinçlenmesiyle birlikte kendilerinin ve yaşadıkları bölgenin temizliğine verdikleri önem vurgulanmıştır.1860'lı yıllarla birlikte icat edilen süpürgenin günümüze kadar gelen tarihinden ve bir toz torbalı süpürgenin genel olarak çalışma prensibinden kısaca bahsedilmiştir. Sonrasında ise, toz torbasız yani siklonik süpürgelerin icadıyla birlikte gelen yeni bir akımdan bahsedilmiştir. Bu akımın öncüsü olan siklonik ayırıcılardan ve bunun temeli olan siklon kavramından kısaca söz edilmiştir. Bir siklonik ayırıcının çalışma prensibi anlatıldıktan sonra tezin amacı ve çalışmada izlenilen yol detaylı şekilde anlatılmıştır. İkinci bölümde, tezin içeriğiyle ilgili geniş bir literatür çalışması yapılmıştır. Literatür araştırması kapsamında, siklonik ayırıcılarla ilgili yapılan tüm çalışmalar incelenmiş; detaylı şekilde anlatılmıştır. Hem deneysel hem de sayısal araştırmalar, siklon kavramının anlaşılması ve tezin içeriğindeki sayısal çalışma kısmı için önemli rol oynamıştır. Üçüncü bölümde ise, siklonik ayırıcıların içerdikleri yoğun türbülanslı akıştan ötürü türbülans kavramı ve türbülans modelleri üzerine teknik araştırma yapılmıştır. Türbülans kavramı detaylı incelendikten sonra sırasıyla türbülanstan kaynaklı oluşan sınır tabakalardan bahsedilmiştir. Sayısal analizin önemli bir bölümünü oluşturan türbülans modeli seçimi ve bu modellerin temeli ise detaylı olarak incelenmiştir. Ticari yazılımlarda sıklıkla kullanılan birçok türbülans modeli üzerine araştırmalar yapılmış; ancak ağ yapısından bağımsız olan türbülans modelleri ve çok fazla hesaplama zamanı getiren türbülans modellerine tez kapsamında olmadığı için değinilmemiştir. Dördüncü bölümde, tezin içeriğinin ikinci adımı olan daimî ayrık faz modellemesine değinilmiştir. Ayrık faz modellemesi kapsamında, modellemenin genel teorisi, partikül ile duvar etkileşimi, partiküller türbülans etkisi altında nasıl bir hareket izlediği ve partiküllerin genel olarak enjeksiyonundan bahsedilmiştir. Tez kapsamında kullanılacak tüm geometriler için yapılan tek fazlı akış analizleri sayesinde uygulanan ayrık faz modellemesinde, partiküller havanın giriş hızına eş değer hızında ve hava giriş yüzeyinden geometri içerisine enjekte edilmiştir. Yapılan HAD analizleri daimî olduğu için ayrık faz modellemesi de daimî olarak yapılmıştır. Giriş yüzeyindeki ağ sayısıyla orantılı şekilde partikül gönderilmiş ve bu partiküllerin yörüngeleri belirlenmeye çalışılmıştır. Belirlenen yörüngelerle birlikte, tozun toplanacağı kısım belirlenmiş ve bu bölgede ne kadar partikülün toplandığı DPM analizi sonucunda hesaplanmıştır. Beşinci bölümde, seçilen Arçelik marka S7534 toz torbasız süpürge üzerinde bazı deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, pazarda hali hazırda satılmakta olan bu modele ait süpürgeler belirlenmiş ve bu süpürgelerin sınıflarına göre motor güçleri belirlenmiştir. Minimum ve maksimum motor gücü aralığında toplam dokuz adet farklı güçte motorun tez kapsamında kullanılabileceği düşünülmüş ve bu doğrultuda dokuz ayrı güçteki motor için solo performans testi yapılmıştır. Tezin ilerleyen adımlarında ise dokuz adet motordan elde edilen verilerin çokluğu dolayısıyla tez kapsamında kullanılacak motor adedi üçe düşürülmüştür. Bu motorlardan elde edilen performans verileri sayesinde, motorların çektiği hava debileri belirlenmiştir. Bu debi değerleri, tezin hem sayısal hem de deneysel bölümü için oldukça önemlidir. Deneysel çalışmaların ilerleyen adımlarında ise, sadece toz haznesi üzerinde çalışılacağından, toz haznesi ile ilgili bazı basınç kaybı testleri yapılmıştır. Basınç kaybı testlerinden sonra, görsellik açısından toz bulutunun siklonik hazne içerisinde nasıl dağıldığını görmek adına hızlı kamera ile toz akışı kayıt edilmiştir. Deneysel çalışmaların son adımı olarak ise %0.01 hassasiyete sahip bir hasssas terazi yardımıyla F sınıfı 1600W S7534 toz torbasız süpürge için haznenin toz toplama verimi belirlenmiştir. Altıncı bölümde, tez kapsamında yapılan sayısal çalışmalardan bahsedilmiştir. Sayısal çalışmaların ilk adımı olarak, katı modeli bulunan toz haznesi için akış alanı bir katı modelleme programı yardımıyla çıkarılmıştır. Daha sonra bu modelden esinlenilerek yeni ve daha basit geometriler tasarlanmıştır. Kullanılacak orijinal toz haznesi geometrisi için analizlere başlamadan önce ağ yapısından bağımsızlık çalışması uygulanmıştır. HAD analizlerinin çözüm sürelerini oldukça kısaltan bu çalışma hem tez kapsamında hem de genel yapılan analizlerde oldukça önemlidir. Kullanılacak ağ yapısı belirlendikten sonra, her bir geometriye bu ağ yapısı uygulanmıştır. Ağ yapıları da geometrilere entegre edildikten sonra, analiz için gerekli olan porozlu bölgenin detaylarının belirlenmesi konusuna değinilmiştir. Porozlu bölge için gerekli olan katsayılar, deneysel verilerden yararlanılarak her bir filtre için hesaplanmıştır. HAD analizleri için gerekli olan tüm parametreler belirlendikten sonra her bir geometri için, başta seçilen üç farklı motorun debilerinde analizler gerçekteştirilmiştir. Akış alanları da belirlendikten sonra partiküllerin enjekte edilmesi üzerine çalışılmıştır. DPM analizleri yapılmadan önce, kullanılacak test tozunun partikül özelliklerinin analize tanıtılma işlemi gerçekleştirilmelidir; fakat bu işlemin yapılması için öncelikle bazı katsayıların hesaplanması gerekmektedir. Partiküller ile ilgili tüm katsayılar hesaplandıktan sonra DPM analizleri her bir geometriye uygulanmış ve sayısal olarak tüm geometrilerin istenilen debilerde toz toplama verimleri sayısal olarak belirlenmiştir. Yedinci ve son bölümde ise, yapılan tüm deneysel ve sayısal çalışmaların sonuçları verilmiştir. Tüm sonuçlar hem kendi içlerinde hem de sayısal ve deneysel olarak karşılaştırılmıştır.