MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 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 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. REAKTÖRÜ ISITMA HESAPLARI 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; 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. 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. 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 R-134a 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; 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 m3 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; 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.