Slide 1

EGE ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
BİTİRME TEZİ
BİYOLOJİK PROSESLERLE ÜRETİM YAPAN BİYOGAZ TESİSİNİN VE PROSES
SONUCU ELDE EDİLEN BİYOGAZ İLE ÇALIŞAN SÜT SOĞUTMA ÜNİTESİ
TASARIMI VE OPTİMİZASYONU
Öğrencinin Adı ve Soyadı:
Ender GÜL
Tezi Yöneten:
Yrd. Doç. Dr. Turhan ÇOBAN
Haziran, 2011
İZMİR
AMAÇ
REAKTÖRÜ ISITMA HESAPLARI
Dünyada yer altı fosil yakıtları tükenmektedir, ayrıca bu
yakıtların elde edilmesi taşınması gibi işlemler risk altındadır. Kısaca
arz güvenliği yoktur. Bu yüzden ekonomik ve teknolojik yönden
yetkinliğini tamamlamış biyogaz üretiminin önemi ön plana
çıkmaktadır. Ancak ülkemizde hak ettiği değeri henüz bulamamıştır.
Bizim gibi yoğun tarım ile uğraşan ülkelerde çok fazla potansiyele bu
enerji yöntemi değerlendirilmelidir.
Bu çalışmada, 100 süt sığırı kapasiteli bir mandıraya ve
İzmir şartlarına uygun biyogaz sisteminin tasarımı yapıldı. Ayrıca elde
edilen enerji ile bu mandıranın ürettiği sütü soğutması ve muhafazı
için süt soğutma üniteleri tasarlandı ve sistemi bir bütün olarak
düşünülerek ısı kayıp-kazançları hesaplandı.
Sistem Akış Diyagramı
REAKTÖR ÇALIŞMA KOŞULLARI
Reaktör mezofilik bölgede ( 35o C) de çalışacak şekilde
tasarlandı. Bu bölgede optimum bekletme süresi 30 gün olmaktadır.
Sığırların ortalama ağırlığı 500 kg olarak kabul edildi ve ürettikleri
gübre miktarı ortalama 42 kg/gün dür. Ayrıca hayvan başına 1 lt altlık
malzemesi karışmaktadır. Sığır atığının TK (toplam katı) oranı %5-25
arasında değişir ve bu oranı %15 olarak kabul edildi. Ancak besleme
materyelinin %8-13 arasında TK’ya sahip olması, biyogaz üretimi için
uygun olmaktadır. Bu yüzden %10 olarak kabul edildi. Bu durumda
sisteme su takviyesi yapılması gerekiyor. Bunun için birim gübre
başına yarım birim su eklenmelidir. Bu şekilde reaktör hacmi
hesaplanabilir;
(43 lt gübre + 1 lt altlık malzemesi) x 30 gün x 100 sığır x 1.5 su = 198 m3
olarak hesaplanmıştır. Karıştırma,ısıtma gibi ünitelerin de
yerleştirilmesi gerektiğinden, reaktör hacmi 210 m3 olarak kabul edildi.
Reaktörü ısıtmak için ısıtıcı akışkan olarak su kullanılmıştır.
Suyu ısıtmak için eksoz çıkış gazlarından yararlanıldı. Ancak özellikle
kış aylarında bu ısıtma reaktör ısı kayıplarını karşılamadığı için ek bir
ısıtma ünitesine ihtiyac duyulmuştur. Bir ısı değiştiricide eksoz
gazlarının ısısını alan su daha sonra bir şofbenden geçmektedir. Daha
sonra su dahili ısı değiştiricisinden geçerek, reaktörün içine çalışma
sıcaklığı olan 350 C de sisteme dökülecektir. Yani sistemin su ihtayacı
da bu şekilde sağlanacaktır.
İzmir için ortalama sıcaklığı en yüksek ve en düşük olan aylar
temmuz ve ocak ayıdır. Temmuz ayı için ortalama sıcaklık 28.1 C ve
ocak ayı için 8.9 C dir. Yıl boyu ortalama sıcaklığı en yüksek ve en
düşük olan aylar temmuz ve ocak ayıdır. Reaktörün ısı kayıpları ve
eksoz gazından elde edilecek enerji şu şekildedir;
SÜT SOĞUTMA ÜNİTESİ TASARIMI
TÜİK verilerine göre Türkiye de bir sığır ortalama
7.65 kg / gün . baş süt üretir. Bu süt mandıradan 3 gün muhafaza
edildiği kabul edilirse, muhafa tankının hacmi 2.285 m3 olmalıdır.
Soğutma ünitesi iki farklı yapı olarak tasarlandı. Birincisi sütü
saklama sıcaklığına (3o C) getirecek ısı değiştiricisi ve bu
sıcaklıkta saklayacak muhafaza tankı. Isı değiştiricisi günde
sadece 8 saat çalışmaktadır, muhafaza tankı ise gün boyu
çalışmaktadır. Bu yüzden sistemde değişken debili soğutucu
akışkan kullanılması gerekmektedir, bu sayede sistemin verimi
artırılabilir. Sistemi bu şekilde çalıştırabilmek için paralel akışlı
soğutma çevrimi dizayn edilmiştir. Sistemde soğutu akışkan R134a kullanılmıştır.
Sistemde, muhafaza tankının ısı kaybı, ısı değiştiricisinin
uzunluğu ve adyabatik verimi % 90 olan kompresörün her iki
sistemin birlikte çalıştığı ve sadece muhafaza tankının çalıştığı
durumda yaptığı iş aşağıdaki gibi hesaplanmıştır;
Sistem bu şekilde tasarlandığında daha önceki uygulamalarda
elde edilen verim
1.2 m3 biyogaz /m3 reaktör x gün olmaktadır.
Biyogazın yaklaşık %60-80 ‘i metandır,, geri kalan %40-20 si CO2 ve
diğer gazlardır (H2S, N2, H2, CO). Eğer metan oranını %70 kabul
edersek günlük 0,84 m3 metan/m3 reaktör elde edilir. Dolayısıyla günde
ortalama, 166.32 m3 metan elde ederiz.
Isıl kayıplar şeklinde oluştuğu için su ısı değiştiricisine yazın
42 C kışın 61C de girmektedir. Suyu bu sıcaklığa getirebilmek için
verimi % 84 olan şofbende tüketilen metan miktarı;
REAKTÖRDE ÜRETİLEN-TÜKETİLEN METAN GAZI MİKTARI
Reaktörü ısıtmak için harcanan metan miktarı;
1.27 m3 /gün (temmuz) , 5.27 m3 /gün (ocak)
Soğutma için günlük harcanan metan miktarı; Vharcanan = 2.09 m3/gün
Sistemde günlük üretilen metan miktarı ortalama; 166.32 m3/gün
SONUÇ VE ÖNERİLER
Bu çalışma kapsamında 210
ölçeğinde biyogaz reaktörü
tasarlanmış ve bu reaktörden elde edilen metan gazı ile çalışan süt
soğutma ünitesi tasarlanmıştır. Aynı zamanda reaktörü çalışma
sıcaklığında tutacak ısıtma sistemi üzerinde çalışılmıştır. Ve tez
sürecinde şu sonuçlara ulaşılmıştır;
m3
1. Soğutma sistemlerinde elektrik yerine biyogaz
kullanılması daha ucuz bir kaynaktır. Bu sistemlerin araştırılması ve
yaygınlaştırılması gerekmektedir.
2. Soğutma çevriminde değişken debili soğutma akışı
uygulandı. Bu sayede farklı soğutma yüklerini karşılayan sistem
daha verimli çalıştırıldı. Özellikle ofis-hastane gibi binalarda
değişik zamanlarda değişik odaların soğutulması istenen merkezi
sistemlerde değişken debili soğutma “VRF” (Variable refrigerant
flow system) kullanılmalıdır
3. Özellikle tarım ile geçinen nüfüsun oldukça yoğun
olduğu ülkemizde, biyogaz sistemleri doğru şekilde
yaygınlaştırılırsa kırsal kesimde ekonomik anlamda yeni bir
değer yaratacaktır.
4. Özellikle bu çalışmadaki gibi görece büyük biyogaz
sistemleri kurulumlarını ancak büyük hayvancılık tesislerinde
mümkündür. Ancak görülüyor ki oldukça yüksek verimler elde
edilebilir. İlk yatırım maliyetleri yüksek olsada, geri dönüşümü
çok kısa sürede gerçekleşeceği için bu tesisler için ek bir gelir
kapısı yaratabilir ve istihdama pozitif etki yaratır.
5. Petrol ve doğalgaz arz güvenliğinin oldukça
çelişkilerle dolu olan günümüzde, altarnetif enerji kaynaklarının
araştırılması ve uyygulanması ülkemiz açısından çok önemlidir.