Development of a Dishwasher Drying System That Utilizes Wastewater Thermal Energy and Experimental Investigation of Its Performance

Abstract

Ev tipi Bulaşık makineleri, girdi olarak elektrik ve suyu kullanarak yıkama işlemi yapan ve hane halkının konforunu arttıran ev aletlerindendir. Bir yıkama çevriminde kullanılan elektriğin 70% ile 90% değişen kısmı suyu ısıtmak için kullanılır. Yıkama sonucunda oluşan 45°C-60°C sıcaklık aralığında olabilen atık su, kullanılmadan gidere boşaltılır. Bu tezde, atık suyun ısıl enerjisinden faydalanmak amacıyla termal enerji deposu (TED) geliştirilmiştir. TED üzerine, atık su ile ısıl etkileşimde olacak şekilde ek bir hava kanalı eklenmiştir. Bu kanala bağlı fan yardımıyla dış ortamdan 23°C sıcaklık ve 55% bağıl neme sahip hava kanaldan geçerken atık su enerjisi ile ısınıp yıkama kabinine gönderilmektedir. Sıcaklığı artan havanın nem taşıma kapasitesi artmakla beraber kabine göre bağıl nemi de düşük seviyelerde olduğu için kurutma performansını iyileştirmesi sağlanmıştır. TED ile ısıl etkileşimde bulunan hava kanalında kanat yapısına bağlı olarak ısı geçişini arttırmak için kanal içerisinde 5 farklı tipte kanat yapısı tasarlanarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile analizi yapılmıştır. İlk olarak kanat yapılarının akış direncini ne yönde etkiledikleri araştırılarak hava çıkış debileri karşılaştırılmıştır. Sonrasında ise, kurutma evresinindeki başlangıç koşulları ile zamana bağlı çözüm yapılarak, kanatların ısı geçişi üzerine etkileri değerlendirilmiştir. En verimli sonucu veren kanal boyu uzanan kanat tasarımı ile prototip üretilmiştir. Kurutma performansı deneyleri prototip TED ile bulaşık makinesi EN 60436 standardına göre yapılmıştır. Çıkan sonuca göre B enerji sınıfı (0.595 kWh/çevrim) olan bir Bulaşık makinesine geliştirilen TED sistemi entegre edildiğinde, A sınıfına (0.544 kWh/çevrim) ulaşılmıştır.

Household dishwashers are home appliances that perform washing processes using electricity and water as inputs, thereby increasing household comfort. Between 70% and 90% of the electricity used in a washing cycle is consumed for heating water. The wastewater, which can range in temperature from 45°C to 60°C, is discharged into the drain without being utilized. In this thesis, a thermal energy storage (TES) unit was developed to utilize the thermal energy of the wastewater. An additional air duct was integrated into the TES to interact thermally with the wastewater. Air at 23°C with 55% relative humidity, drawn from the external environment, passes through this duct with the help of a fan, is heated by the energy from the wastewater, and is directed into the washing chamber. As the temperature of the air increases, its moisture-carrying capacity rises, and since its relative humidity is lower compared to that of the chamber, it enhances the drying performance. To increase heat transfer in the air duct thermally interacting with the TES, five different types of fin designs were developed and analyzed using computational fluid dynamics (CFD). Firstly, the effect of fin designs on flow resistance was investigated, and the air outlet flow rates were compared. Subsequently, the impact of the fins on heat transfer was evaluated by conducting time-dependent simulations under the initial conditions of the drying phase. A prototype was produced with the fin design that provided the most efficient results, extending along the length of the duct. Drying performance experiments were conducted with the prototype TES integrated into a dishwasher according to the EN 60436 standard. According to the results, when the developed TES system was integrated into a dishwasher with a B energy class (0.595 kWh/cycle), it was upgraded to an A energy class (0.544 kWh/cycle).