Nizkoemisijsko gospodinjsko strojno sušenje z vrednotenjem poškodb tekstilnih materialov

Projekt L2-3174 je bil usmerjen v raziskave procesov strojnega sušenja tekstilij, s končnim ciljem razvoja nove generacije gospodinjskega sušilnika perila, imenovanega nizkoemisijski sušilnik perila (NESP).

Strojno sušenje tekstilij je vir emisij, ki predstavljajo breme za okolje in zdravje. Emisije se lahko pojavljajo neposredno pri procesu sušenja (npr. delci, plini) in posredno kot posledica udeleženih snovnih in energijskih tokov. Projekt L2-3174 je bil primarno usmerjen v zmanjšanje neposrednih emisij tekstilnih vlaken preko zmanjšanja njihovega nastajanja pri procesu strojnega sušenja. Nastala prosta vlakna, predvsem mikrovlakna, se sicer zajemajo na filtrih sušilnega stroja, vendar se kljub temu velik delež vlaken emitira v zrak in vodo. S tega stališča so posebej problematična sintetična vlakna, ki predstavljajo enega glavnih kontaminacijskih virov mikroplastike.

Z zmanjšanjem izločanja vlaken pri sušenju perila se zmanjšuje tudi obraba in degradacija tekstilij, zato se pozitivni učinki izrazijo tudi preko podaljšane življenjske dobe tekstilij in s tem zmanjšanjem emisij pri proizvodnji novih tekstilij. Dodatni učinek izboljšav procesa je zmanjšana poraba električne energije, kar ravno tako prispeva k nižanju emisij onesnaževal.

Razvoj NESP je temeljil na eksperimentalnih raziskavah z uporabo sodobne merilne opreme ter modeliranju ključnih procesov, povezanih s sušenjem perila v sušilnem stroju s toplotno črpalko. Glavni izzivi razvoja so bili povezani z raziskavami in kvantifikacijo procesov degradacije tekstilij in izločanja vlaken pri sušenju v bobnu. Raziskave so vključevale izvedbo širokega nabora eksperimentov z namenom določitve vplivov obratovalnih parametrov sušenja na nastajanje poškodb in izločanje vlaken. Analizirane so bile tudi spremembe videza tkanine, dimenzijske in termične stabilnosti, mehanskih lastnosti, spremembe kristaline strukture in samih morfoloških poškodb tkanin. V okviru projekta so bili raziskani tudi razkuževalni učinki sušilnega procesa in razvita metoda za njihovo vrednotenje. Razvita je bila tudi metoda numeričnega vrednotenja mečkavosti tekstilij.

Rezultati eksperimentalnega dela so tvorili temelj za zasnovo modelov za opis fenomenov degradacije lastnosti perila, izločanja mikrovlaken in integralnih energijskih karakteristik stroja v odvisnosti od obratovalnih parametrov. Na osnovi osvojenega znanja so bili optimirani režimi delovanja stroja za tekstilije različne surovinske sestave, ki so bili implementirani v izdelani prototip NESP. Ključne značilnosti NESP v primerjavi s stanjem tehnike (sušilni stroj EU energijski razred A+++) so: ločen pogon in krmiljenje bobna in ventilatorja, izboljšana senzorika za zaznavanje stanja perila in vključitev posebnih časovno spremenljivih programov sušenja za zmanjšano mehansko obremenitev perila. Doseženo je bilo občutno zmanjšanje mase izločenih vlaken med sušenjem (do 50%), vendar s hkratnim povečanjem porabe energije (do 17%) in časa (do 29%) za sušenje.

Projekt L2-3174 je bil razdeljen v 5 delovnih sklopov (DS).

DS1: Zahteve, specifikacije, karakterizacija in zasnova merilne postaje

Za potrebe izvajanja raziskav sušenja perila v sušilnem stroju je bila na Univerzi v Ljubljani (UL) zasnovana in izdelana modularna merilna postaja. Osrednji del merilne postaje je gospodinjski sušilni stroj s toplotno črpalko (TČ), ki pa ima izvedene mnoge modifikacije, ki omogočajo ločeno krmiljenje posameznih elementov stroja. S tem je omogočena študija vpliva posameznih parametrov (npr. pretok procesnega zraka, masa perila, hitrost vrtenja bobna, …) na proces sušenja in proces degradacije tekstilij. Merilna postaja omogoča obratovanje v običajnem notranjem zračnem tokokrogu in v zračnem tokokrogu z obtokom zunaj stroja, preko visoko-učinkovitega filtra delcev [1].

Ovrednotene so bile sorpcijske in desorpcijske lastnosti standardnih balastnih tekstilij in tkanin različnih surovinskih sestav. Prav tako so bili raziskani in ovrednoteni vplivi temperature sušenja, ostanka kopeli /mehčalca, obrabe tekstilije ter prisotnost mikroorganizmov na profil sušenja stand. tkanin iz naravnih (bombaž, volna, svila) in sintetičnih vlaken (PES, PA, PAN, viskoza) ter dvokomponentne mešanice PES/bombaž. Rezultati so nedvoumno pokazali, da vsebnost nečistoč, pralnih /mehčalnih /razkuževalnih sredstev in suspenzije mikroorganizmov v sušeni tekstilij, kot tudi njene mehanske in kemijske poškodbe (morfologija) vplivajo na potek procesa strojnega sušenja tekstilij.

Ovrednotena je bila tudi uporabnost brezkontaktne (nestične) spektroskopije NIR za identifikacijo stopnje vlage v tkanini, ki bi se z ustrezno strojno /programsko modifikacijo in nadgradnjo lahko uporabila za vodenje procesa strojnega sušenja tekstilij v realnem času [2].

DS2: Eksperimentalna raziskava procesov v sušilnem stroju

Eksperimentalne raziskave v okviru DS2 so omogočile razumevanje temeljnih procesov, pomembnih za izvedbo vseh nadaljnjih DS.

Karakterizacija delovanja sušilnega stroja je bila v izhodišču osredotočena na vpliv pretoka zraka na proces sušenja pri različnih masah standardnega bombažnega perila. Izvedena je bila študija optimizacije delovanja ventilatorja s ciljem izboljšanja energijske učinkovitosti sušilnega stroja, vendar je bilo doseženo izboljšanje ne-konsistentno. Analiza kinematike perila je bila izvedena z namenom poglobiti znanje o vzorcih gibanja perila v bobnu sušilnega stroja v odvisnosti od vrtilne hitrosti bobna ter mase perila. Za raziskave smo izbrali metodo merjenja pospeškov z lahkimi pospeškomeri, pritrjenimi na posamezne kose perila. Rezultati meritev kažejo jasen odnos med maso polnitve in efektivnimi pospeški, medtem ko ne nakazujejo enostavne povezave med efektivnimi pospeški (ter njihovim trajanjem) in količino izločenih vlaken iz perila.

Izločanje vlaken med sušenjem je bilo ovrednoteno z uporabo novo razvitih kvantitativnih metod: (1) vodenje celotnega sušilnega zraka preko zunanjega filtra (filter iz netkane koprene), (2) vzorčenje (odsesavanje) zraka iz bobna ter njegovo suho (filter iz steklenih vlaken) in mokro filtriranje (vodna kopel) ter (3) uporaba laserskega števca mikrovlaken v sušilnem zraku. Gravimetrične metode 1, 2 in 3 so se izkazale kot primerne za vrednotenje emisije vlaken in mikrovlaken, medtem ko je s pomočjo metode 3 možno vrednotiti ter zasledovati emisije nanovlaken med procesom strojnega sušenja tekstilij. Izmerjena dinamika izločanja vlaken tekom procesa sušenja se je od metode do metode razlikovala, kar bi zahtevalo dodatne poglobljene raziskave konstrukcijskih in metodoloških rešitev. Zaradi tega razloga je bila v nadaljnjih raziskavah optimizacije procesa strojnega sušenja uporabljena kot referenčna metoda 1. Rezultati eksperimentov po tej metodi so omogočili merjenje dinamike izločanja vlaken iz bombažnih tkanin kot funkcijo časa in vsebnosti vlage v tekstilu. Ugotovljeno je bilo, da mehansko obremenjevanje (vrtenje v bobnu) bolj suhih tkanin rezultira v povečani skupni masi vlaken na filtru. Rezultati so tudi pokazali, da znaten delež nastalih vlaken obide notranje filtre in prispeva k nabiranju vlaken v sušilnem stroju ter sproščanju vlaken v okolje [1].

Eden izmed ciljev raziskave je bil usmerjen tudi na izbor in vrednotenje uporabnost novih analiznih metod identifikacije poškodb tekstilnih vlaknatih materialov. Tako sta bili izbrani in ovrednoteni rentgenska kristalografija XRD in termogravimetrična analiza TGA. Metodi XRD in TGA sta bili uporabljeni za karakterizacijo strukturnih sprememb standardnih tkanin, ki so bile 25 ciklov sušene fototermično, mikrovalovno ali klasično toplozračno (konvekcijsko). Uporabljen je bil širok spekter tkanin; bombaž, PES, mešanica bombaž/PES, volna, svila, PA, PAN, viskoza. [3]

Izvedene so bile tudi analize poškodbo s SEM mikroskopijo in z analizo sprememb v pretržni sili, prepustnosti zraka in dimenzijskih spremembah standardnih tkanin SIST, EN, DIN.

Ovrednoteni so bili tudi nekateri sušilni postopki razkuževanja tekstilij, tako v laboratorijskih napravah (segret zrak, UV sevanje, kombinacija UV sevanja in toplotne obdelave, ozon, mikrovalovi, nasičena para pri nadtlaku ter atmosferskem tlaku) kot tudi v gospodinjskem sušilnem stroju. Preskušeni strojni programi sušenja tekstilij so bili ocenjeni kot razkuževalno manj učinkoviti (nizka temperatura sušenja, kratek kontaktni čas), hkrati pa ne preprečujejo navzkrižne biokontaminacije. [4]

DS3: Matematično, numerično in statistično modeliranje procesov v stroju

V okviru DS3 smo podrobno analizirali delovanje toplotne črpalke (TČ) v sušilnem stroju v soodvisnosti od stanja procesnega zraka. Delo je temeljilo na eksperimentih, kjer so bile merjene termodinamske spremenljivke na strani hladiva in procesnega zraka. Sledil je razvoj programske opreme v jeziku Python, ki na osnovi merjenih podatkov omogoča podrobnejšo analizo termodinamskega cikla TČ, pri čemer je možna obravnava različnih hladiv. Analiza časovne dinamike hladilnega procesa je pokazala, da je izboljšanje cikla TČ možno preko spremembe stanja sušilnega zraka na vstopu v TČ (višanje pretoka in hkrati višanje specifične entalpije preko povečanja vsebnosti vlage). Ugodno je tudi delovanje pri nižjih močeh kompresorja, saj to vodi do manjših tlačnih sprememb in nižjih temperatur hladiva. Povečanje mase perila sicer ugodno vpliva na energijsko karakteristiko stroja kot celote, na samo TČ pa vpliva neugodno in zmanjša njeno učinkovitost, kar smo pripisali večji pregretosti TČ zaradi daljšega sušenja [5].

Razvita in dopolnjena je bila nestična, računalniško podprta, objektivna metoda ocene mečkavosti tekstilij, ki se lahko številčno izrazi z indeksom mečkavosti. Višja začetna stopnja vlage v tekstilij ima za posledico višji indeks mečkavosti. Najvišji indeks mečkavosti daje strojno sušenje pri polovični polnitvi, nekoliko nižji je pri nazivni polnitvi ter najnižji pri 75% nazivni polnitvi. [3]

DS4: Zasnova prototipa nizkoemisijskega sušilnega stroja in programov sušenja za različne surovinske sestave tekstilij

Tekom projekta smo definirali ključne nadgradnje strojne in elektronske elemente, ki bi jih moral vsebovati nizkoemisijski sušilnik perila. Rezultati raziskav so pokazali, da je v nizkoemisijskem sušilniku perila ključno zagotavljanje ločenih pogonov bobna in ventilatorja, kar omogoča ločeno krmiljenje vrtilne frekvence navedenih dveh elementov in boljše karakteristike stroja. Zmanjšanje tvorbe prostih vlaken se sicer lahko doseže tudi na klasičnih strojih z enojnim pogonom, vendar na račun večjih pribitkov pri porabi energije in časa za sušenje. Dodatna senzorika vključuje zaznavalo relativne vlažnosti zraka na izstopu iz bobna ter zaznavanje obremenitve motorja za pogon bobna. Kombinacija obeh parametrov omogoča oceno trenutne mase perila v bobnu ter njegove vlažnosti, kar odpira možnosti za optimirano krmiljenje procesa (prilagajanje vrtljajev pogonov).

Optimizacija procesnih parametrov in programov sušenja za različne vrste tekstila je bila izvedena predvsem z ciljem doseganja manjših mehanskih obremenitev perila med sušenjem in posledično zmanjšano degradacijo perila, ki se odrazi kot zmanjšano izločanje vlaken. Pri tem so bili upoštevani tudi preostali pomembnejši parametri sušenja: energijska učinkovitost, čas sušenja, enakomernost sušenja. Zmanjšanje izločanja vlaken iz bombažnih tkanin je bilo doseženo z optimizacijo režima vrtenja bobna. V izhodišču projekta je bilo zastavljeno ciljno zmanjšanje poškodb teksilij za 10% (merjeno v izločenih vlaknih) glede na trenutno najnaprednejšo tehniko, kar smo v projektu bistveno presegli, vendar ob povečani porabi časa in energije. Doseženo je bilo zmanjšanje mase vlaken za 50% ob povečanju časa sušenja za 29% in povečanju porabe energije za 17%, relativno na nazivni režim. Optimizacija režima vrtenja bobna za različne mase polnitev ter dopustitev večje mase vlaken bi rezultirala v še nižjih pribitkih v času in energiji za sušenje. Objava rezultatov te naloge je v postopku, preučevana je bila tudi možnost patentiranja.

DS5: Evalvacija in optimizacija prototipa nizkoemisijskega sušilnega stroja, promocija projekta

Diseminacija rezultatov projekta se je tekom projekta odvijala predvsem preko objav v znanstveni literaturi in prispevkov na znanstvenih konferencah, kot že citirano v sklopu prejšnjih DS.

Prototip nizkoemisijskega sušilnega stroja na tej stopnji razvoja ni bil nadalje optimiran in promoviran, saj je bil pridobljen nov aplikativni projekt, ki bo omogočil izvedbo še radikalnejših sprememb v konceptu sušilnega stroja, ki bi lahko multiplicirale že dosežene rezultate v okviru projekta L2-3174.

REFERENCE

[1]    Novak, L., Malneršič, A., & Hočevar, M. (2024). Quantification of Fiber Shedding from Cotton Fabrics During Drying in a Domestic Heat Pump Tumble Dryer. Journal of Natural Fibers, 21(1). [COBISS.SI-ID 207899907]

[2]    Neral, B., Škodič, L., Štanc, D., Kurečič, M. (2024) Evaluation of moisture content in household textiles during drying with non-contact NIR spectroscopy. V: DRAGČEVIĆ, Zvonko (ur.), HURSA ŠAJATOVIĆ, Anica (ur.), VUJASINOVIĆ, Edita (ur.). Book of proceedings : magic world of textiles : 11th International Textile, Clothing & Design Conference [also] ITC&DC, October 6th to October 9th, 2024, Dubrovnik, Croatia. Zagreb: University of Zagreb, Faculty of Textile Technology, 2024. [COBISS.SI-ID 214570243]

[3]    Kurečič, M., Neral, B., Gorgieva, S. (2022) XRD and TGA as methods for evaluation of structural damage of textiles on a macro scale during a household tumble drying process, Tekstil 71 (4) 285-291 [COBISS.SI-ID 220114179]

[4]    Neral, B., Gorgieva, S., Kurečič, M. (2022) Decontamination efficiency of thermal, photothermal, microwave, and steam treatments for biocontaminated household textiles. Molecules. vol. 27, iss. 12 (3667). [COBISS.SI-ID 112147459]

[5]    Mujagić, E. (2024) Analiza delovanja toplotne črpalke v sušilnem stroju na podlagi lastnosti sušilnega zraka. Magistrsko delo, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana. [COBISS.SI-ID 219819779]