Optimum design of attenuator of spun-bond production system
Spunbond-nanolif-spunbond (SNS) teknolojisi ile nitelikli hava filtresi üreten bir sistemin çekici ünitesinin tasarımı ve geliştirilmesi
- Tez No: 398013
- Danışmanlar: PROF. DR. HİKMET KOCABAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Konstrüksiyon Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
Nanolifler, yüksek nitelikli hava filtresi üretmek için son dönemde sıklıkla araştırılan etkili malzemelerdendir. Bu tezdeki SNS yapı spunbond ve nanoağ katmanlarından oluşmaktadır. Nanoağ filtre malzemesinin niteliğini belirlemektedir. Lif çapı nano boyuttadır. Bu yüzden üretilen kumaşın gözenek çapı düşüktür. Bu sayede mikron boyutundan küçük parçacıkları tutabilecek kadar niteliklidir. Nanoağ ile üretilen kumaşın dayanımı çok düşüktür. Hemen dağılmaktadır. Filtrenin dayanımını artırmak için nanoağ katmanının iki tarafı spunbond yöntemiyle üretilen kumaşla kaplanılacaktır. Bu sayede spunbond- nanolif-spunbond (SNS) katmanları ile yüksek nitelikli hava filtresi üretilmiş olacaktır. Spunbond katmanı mikron boyutunda lif çapına sahiptir ve filtre kağıdının dayanımını artırmak için kullanılacaktır. Spunbond katmanında karşılaşılan sorun ise kumaşın kalınlığının homojen olmamasıdır. Bölgesel olarak kalınlığın değiştiği görülmektedir. SNS, yani spunbond-nanolif-spunbond şeklinde sandviç bir yapı düşünülmekte, bu sayede nanoliflerin düşük mekanik özelliklerinin filtrasyon şartlarına ayarlanması planlanmaktadır. Spunbond yöntemi ile üretilecek olan 5-30 mikron boyutunda lif çapına sahip olan katman filtrenin dayanımını artıracak olan katmandır. Nanolif katmanı ise filtrenin performansını, gözenekliliğini belirleyen katmandır. Bu katmanda lif çapı nano boyuttadır ve bu yüzden nanolifdeki gözenekler spunbonda göre daha küçüktür. Çevresel bir yaklaşım olarak eriyikten nanolif eldesi hedeflenmektedir. Oldukça yenilikçi bir çalışma olmasından bu tip malzemelerin üretimini sağlayacak spunbond ve nanolif üretim teknolojilerine yönelik makina tasarımı eksenlidir Spunbond yönteminde kullanılacak sistem ekstrüder, spinpump, düze paketi, sıcak ve soğuk hava kabinlerinden oluşacaktır. Spunbond yönteminde ekstrüderden eriyik halde çıkan polimerin spinpump ile akışı düzenli hale getirilmektedir. Düzenli akan eriyik yüksek basınç altında düze paketindeki deliklerden geçerek lif haline getirilmektedir. Düzeden çıkan lifler önce sıcak hava kabini, sonra da soğuk hava kabini ile çekilerek mikron boyutuna düşürülmekte ve katılaşarak konveyör üzerinde toplanmaktadır. Oluşan liflerin aynı çapta olması ve üretilecek olan kumaşta lif dağılımının homojenitesi filtre performansını belirten iki ana faktördür. Bunu sağlayabilmek için düzede polimer basınç ve çekim bölümünde hava basınç dağılımının eşit olması gerekmektedir. Bu iki problem spunbond mamul kalitesinde ana etkendir ve yüksek derecede reoloji ve imalat mühendisliği birikimi gerektirmektedir. Hava çekim ünitesi eksenel olarak iki ayrık alt üniteden oluşmaktadır. Bu alt ünitelerin tasarımı ve aynı zamanda gerekli analizleri bu tezde araştırılmış ve sonuçlar deneysel olarak onaylanmıştır. Son olarak tez kapsamında en iyi tasarım çözümü araştırılıp ilgili analizleri yapılmıştır. İlk başta projede kullanma amacıyla bir düze paketi seçilmiştir. Düze paketi 396 tane 0.35 milimetre deliğe sahiptir; malzeme ekstrüder ve düze paketinde eriyik hale geldikten sonra spinpump yardımı ile bu deliklerden dışarıya akar ve bir çekici ünitesinden geçerek uzamak ile birlikte incelir. Bu işlemde kullanılan çekici ünitesi için, ilk başta bir ön tasarım düşünülmüş ve üzerinde Hesaplamalı Akış Analizleri (HAD) yapılmıştır. Analiz sonuçlarına dayanarak bir tasarım yapılmış ve onun üzerinde analizler gerçekleşmiştir. Analizlerde elde edilen sonuçları doğrulamak üzere bu çekici imal edilmiş ve üzerinde hız denemeleri yapılmıştır. Düşük maliyete sebep olsun diye mevcut olan bir fandan yardım alınmıştır. Ama bu fanın çıkış değerleri istenilen değerlerden düşük olduğundan, fanın çıkış değerleri ile yeni analizler yapılmış ve sonuçlar kıyaslanmıştır. Deneme ve analiz sonuçların yakın bir şekilde ve 8% hata ile örtüşmesi yeni tasarımlarda HAD analizleri sonuçlarına güvenime yol açmıştır. Deneme fanı boyutlarına ve elde edilen hızlara bakıldığında, mevcut tasarım için lazım olan fanın çok büyük boyutlarda olacağı tespit edilmiştir. Aynı zamanda denemelerde bazı sorunlar ile karşılaşılmıştır. Bu sorunları giderme ve basınç kaybını düşürme amacı ile yeni bir tasarım düşünülmüştür. Yeni tasarımda basınç kaybını düşürmek için çekicinin iç tasarımı ve jet kısmında bazı değişiklikler yapılmasına karar verilmiştir. Hava bölmeleri kısmında daha düşük basınç kaybına uğramak için, bu bölmeler dikey hale getirilmiş ve uzatılmıştır. Havanın dar bir bölgeden daha geniş bir bölgeye girmesi basınç kaybına neden olmaktadır. Bu problemi çözmek için hava bölmelerinin açılı ve daralarak yapılmasına karar verilmiştir. Analizlerde bu işlemin çok yararlı olduğu gözlemlenmiştir; ama imalat problemleri nedeni ile bu bölmelerin açısız yapılmasına gerek duyulmuştur. Aynı koşullarda başka analizler açısız bölmeler ile yapılmış ve yüksek bir etkisi olmadığı gözlemlenmiştir. Hava girişinin karşı duvarında havanın yüksek hızla çarpması nedeni ile büyük basınç kayıpları gözüküyor. Aynı zamanda havanın fanın çıkışından çekici girdiğinde basınç kaybına uğramamasına özen göstermek gerekiyor. Bu iki problemi çözmek için, yeni tasarımda, hava girişi daha büyük çaplı ve dört gen olarak seçilmiş. Analizler yapılan değişikliğin girişin karşı duvarında ve giriş borusunda olan basınç kaybını tamamen yok ettiğini göstermektedir. Jet bölümünde havanın yüksek hız ile jetin plakasına çarptığı için yüksek basınç kaybı gözlemleniyor. Bu problemi gidermek için jet çıkışını 90 derece açılı yerine 45 derece açıyla yapılmasına karar verilmiştir. Yine bu tasarımın üzerinde analizler yapılmış ve doğru etkisi onaylanmıştır. Denemelerde görüldüğü gibi havanı yüksek hız ile jetin karşı duvarına çarptığında, onun eğilmesine ve sonuç olarak hazın düşmesine neden olduğu anlaşılmıştır. İlk tasarım imalatında malzeme olarak alüminyum kullanılmıştı. Eğilme problemini çözmek için yeni tasarımda paslanmaz çelik kullanımına karar verilmiştir. Alüminyum ile imalat yapımında, alüminyum kaynağının zor bir işlem olduğundan ve aynı zamanda kaynağın alüminyumun deforme olmasına yol açtığından, bu malzemenin değiştirilmesi öne sürülmüştür. Bu amaçla ve bir önceki problemin çözümü doğrultusunda yeni tasarımın paslanmaz çelikten yapılmasına karar verilmiştir. Paslanmaz çeliğin kullanımı imalat aşamasında hızlanmaya da sebep olacaktır. Yapılan tüm delikliklerden sonra yeni tasarım üzerinde HAD analizleri yapılmış ve bir önceki sonuçlar ile kıyaslanmıştır. Bu analizler deneyim fanının çıkış değerleri ile yapılmıştır. Analizlerin sonucunda jet bölümünde hava hazının 60 m/s kadar yükseldiği ve başka bir değişle 90 m/s saniyeye ulaştığı gözlemlenmiştir. Son olarak liflerin hava akışı üzerinde etkisini görme amacı ile yeni analizler lifler ile birlikte yapılmış ve sonuçlar incelenmiştir. Bu analizler liflerin hava akışı ve hızı üzerinde fazla bir etkisi olmadığını göstermiştir. Aynı zamanda liflerin hareketini de göz önünde bulundurmak için bir UDF (User Defined Fucntions) hazırlanmıştır. Bu UDF de kullanılan modül,“deforming mesh”tir. Bu koşturuyu yapmak için büyük belleğe sahip bilgisayarlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu olanakların eksik olduğundan bu analizi yapmak mümkün olmamıştır. Çekicinin iç tasarımında en küçük değişikliklerin basınç kaybını büyük ölçeklerde etkilediği gözlemlenmiştir. İmalat ve eleman maliyetlerini ilk başta düşünülmesi büyük bir önem taşımaktadır. Bu işlemde yüksek kapasiteli bir fan en fazla ağırlığı taşımaktadır. HAD analizleri doğru kullanıldığında mali olanakların yanlış yönde harcanması ve zaman tasarrufuna neden olacaktır.
Özet (Çeviri)
Nanofibers are effective materials, which have frequently been investigated to produce high quality air filters. As an environmental approach, our aim is to achieve nanofibers by melting. In spun-bond systems extruder, spin-pump, nozzle package and attenuator are used. Molten polymer which flows from extruder is made steady by spin-pump. Regular melt passes through nozzle holes and forms fibers under high pressure. The fibers pulled from nozzle are shrunk to micron size by an attenuator; after solidification, they are collected on a conveyor. In this research, different designs of attenuator systems have been studied; also CFD analysis have been done on these different designs. Afterwards, one of these designs tested and finally some optimizations have been done to reduce pressure drop and increase air velocity. As a nanofiber production method, electrospinning has intensively been investigated recently. However, lots of solvent are used in traditional electrospinning method which reduces production rate. Moreover, this method increases production costs. Therefore, melting system was invented as a basic method for SNS nanofiber layer fabrics production. In this system, extruder, nozzle package and high-voltage power supply are essential devices. Mixture or molten polymer is put in a funner which has one or more holes. In this process polymer granules are fed by funner which are melted and moved on by extruder. After extruder, granules are driven to a nozzle which has numerous holes and are converted to fibers. Coat- Hanger die has been designed and selected to be used in this research. Its primitive representation has been designed by an analytical method. After nozzle, molten polymer is solidified by cold air. In attenuation region fibers are attenuated by high speed air. Depending on the polymer characteristics and production rate, air velocity reaches 1000 to 8000 m/min. For instance, polypropylene (PP) usually needs a 2000 m/min velocity where this amount is about 4000 m/min for polyamide (PA). Through cooling and protracting process, parameters such as humidity and temperature should be controlled. Fibers diameter and its homogeneity are two main factors which determine performance of produced filter. In order to achieve this goal polymer pressure in the nozzle and also air pressure distribution at jet section must be uniform. By inspecting so many different references and patents, a primitive design for attenuator has been developed. The design had to be done at a state which guaranties high velocity with lowest vibration. Vibration is an important factor in attenuator design; it results in agglomerated nanofibers and subsequently non-uniformity. A primitive design of attenuator has been created and some analysys have been done to probe velocity and pressure drop in it. Selected design has been drawn and meshed in ANSYS-ICEM CFD. The mesh method which has been used in this process is a very accurate one which uses blocks instead of automatic meshing. Selected design has been manufactured and a fan with 0.07 bar output pressure has been purchased in the sake of experiments. Manufactured attenuator has been mounted on the fan and jet velocity tests have been done on it. There was a very close overlapping between experimental and simulation results where max deviation is 8%. Therefore, some optimizations could be done based on simulation results. However, sometimes there would be needs for higher velocities which would requests fans with higher output pressure and subsequently higher powers. In this situation, demanded fan will be very large and expensive. Moreover, less pressure drop will guarantee less vibration. So it is needed to obtain higher velocities with lower pressure drop by doing some optimizations on attenuator interior design which affects pressure drop significantly. Therefore, some researches has been done on this matter and a new interior design has been developed. This process should be done on a layout which guarantees smooth narrowing throughout air path; so the least possible amount of pressure drop will be obtained. In this process, to reduce pressure drop, a larger input has been selected which is as large as fan output. As mentioned before, there was a large amount of pressure drop at the wall next to inlet pipe; this pressure drop was the product of high velocity in the pipe which was a result of small diameter; this problem was conquered by enlarging inlet gap. Moreover, there was a significant pressure drop at the pipe itself which was very long; to eliminate this, the pipe removed from representation. Also interior design has been made in a case which has a smooth narrowing layout. At first, some air channels with a slight angle have represented; these angles would provide a perfect narrowing at channels; but as a matter of fact, it was very difficult to manufacture such channels; so the angles have been eliminated and some other methods employed to compensate the lack of inclined designed. Air partitions have been made vertical and by using longer partitions in every path, smooth narrowing made possible. There was a significant pressure drop because of sharp exit on jet; severe colliding of air to the plate next to jet had caused in mentioned pressure drop; so it has been changed to a 45 degrees exit on bottom edge of jet gap. In order of comparisons, a simulation with the same properties of former one has been done on this layout. This will guarantee an accurate comparison between two designs, which will lead to a realistic conclusion. By using same inlet properties, there was a 60 m/s growth in jet velocity which is about 90 m/s. In addition, pressure drop at the wall next to inlet and jet have been eliminated. There was a large amount of pressure drop at interior part of attenuator unit which have been reduced significantly by changing some design parameters. Also by using the same properties of inlet a three times larger amount of velocity has been obtained at jet section which will help to protract nanofibers more than before. Also by using smooth narrowing method at interior part there will be less vibration which will help to obtain more uniform spun-bonds. Finally, in order to find out the effect of fibers on airflow, other CFD analysis have been done considering fibers at cross sections. There are 396 exit holes on manufactured die with a diameter of 0.35 mm which brought some hardships during meshing process. This geometry has been meshed using advanced method of structured mesh and analyzed in FLUENT. Results of these analysis shows a slight effect of fibers on airflow, which is not so great to consider in attenuator design. A UDF code has been developed during this project to consider fibers movements between two attenuator units; the method which is used in this analysis is deforming mesh which is brought in FLUENT. However, this analysis would need a computer with very high ram capacity and a great CPU; so because of lack of computational resources, it wasn't possible to do such an analysis. It is obvious that changing a design representation slightly could have a significant effect on pressure drop and production factors. In this way, the most important part in this project was drawer unit. Slight changes at interior or exterior parts of drawers would has a significant effect on pressure drop. It is necessary to consider the cost of production at first steps, which includes fan as an expensive component. Using analytical methods could help to prevent large amount of financial wastes, if it is done using a true and useful method.
Benzer Tezler
- Elektro üfleme yöntemiyle üretilen poliamid nanoliflerin filtrasyon özelliklerinin iyileştirilmesi
Improvement of filtration properties of polyamide nanofibers produced by electro blowing method
ALİ TOPTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. ALİ KILIÇ
- Santrifüj eğirme sistemi ile üretilen liflerle yapılan kompozitlerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi
Definition of mechanical properties from centrifugal spun fibrous composites
HARUN YALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ
YRD. DOÇ. ALİ KILIÇ
- Large scale wireless propagation channel characterization of air-to-air and air-to-ground drone communications
Hava-hava ve hava-yer drone haberleşmesi için büyük ölçekli kablosuz yayılım kanalı karakterizasyonu
UBEYDULLAH ERDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Kuvvetli deprem hareketlerinde normalizasyonun spektrum üzerine etkileri
The Normalization and the effects of normalization on spectrum
Ş.BAŞARGAN TUNAY
- Development of multi-layer conductive polymer nanocomposites for electromagnetic shielding application
Elektromanyetik kalkanlama uygulamaları için katmanlı iletken polimer nano kompozitlerinin geliştirilmesi
FATMA ZEHRA ENGİN SAĞIRLI
Doktora
İngilizce
2017
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ