Theses supervised by Doç. Dr. Ethem Toklu
12 theses · Düzce University
Süperkritik kurutma metotlarının incelenmesi ve reaktör tasarlanması
Geçtiğimiz yirmi yıl içinde, süperkritik akışkan kurutması veya süperkritik kurutma olarak ta bilinen kurutma işlemi birçok alanda artan uygulamalarıyla hızlı bir şekilde büyüyen bir ilgiye sahip olmuştur. Etkili ve birçok üstün özellikleri sayesinde süperkritik kurutma işlemi, bilinen geleneksel kurutma metotlarının aksine, kurutulan numune ve kurutma şartları açısından oldukça önemli avantajlara sahiptir. Her maddenin özgün yapısından kaynaklanan fiziksel ve kimyasal farklı özellikleri vardır; bunun doğrultusunda da farklı faz özellikleri vardır. Ele alınan herhangi bir maddenin basınç-sıcaklık faz diyagramında katı-sıvı-gaz hallerinin birbirleri ile dengede bulundukları sınır eğrileri vardır. Maddenin gaz ile sıvı halleri arasında dengede bulunduğu eğriyi ileriye doğru hareket ettirmemiz durumunda sıcaklığın ve basıncın arttığı görülmektedir. Bunun sonucunda ısıl genleşmeler nedeniyle sıvının yoğunluğu azalarak, gazın yoğunluğu artmaktadır. İşlem sürdürüldüğünde sıvı ve gaz fazın yoğunlukları birbirlerine yaklaşarak bir süre sonra ikisi de aynı değere ulaşmaktadır. Tam da bu iki fazın ortak yoğunluğa sahip oldukları bu nokta kritik noktayı göstermektedir. İşlemler sonunda oluşan bu akışkanın sıcaklığı veya basıncı kritik şartların üzerine çıkarılır ise maddenin bilinen hallerinden farklı, gaz ve sıvı özelliklerinin arasında yeni özelliklere sahip bir akışkan olan süperkritik akışkan (SKA) elde edilmektedir. SKA sahip olduğu düşük ölçülerdeki viskozite, yüksek değerdeki yayınım, yoğunluk ve çözme gücü özellikleri bakımından hem gaza hem de sıvılara benzemektedir. Kurutma işlemi aslında bir ekstraksiyon olduğu için SKA'nın yüksek çözme gücü, bu noktada büyük önem arz etmektedir. SKA ekstraksiyonu klasik olarak kritik şartlara ulaşılabilmesi için yüksek basınç pompası, ekstraktör ve separatöre sahip bir sistem ile sağlanmaktadır. Kullanımı kararlaştırılan SKA, önceden belirlenen basınç değerinde sisteme gönderilip bu esnada bir ısıtıcıdan geçirilerek ekstraktöre aktarılmaktadır. Burada kurutulması istenilen numune ile etkileşime geçerek çözebileceği bileşenleri almaktadır. Sonrasında akışkan separatöre geçerek sıcaklık ve basıncı kritik şartların altına düşürülerek kurutma döngüsü tamamlanmaktadır. Günümüze kadar süren ve hala devam eden farklı amaçlarda ve farklı alanlarda kullanılan polimer malzemelerin geliştirilmesi, bilim dünyasını daha modern ve daha etkili çözüm yolları bulmaya zorlamıştır. Yeryüzünde bilinen malzemeler arasında en hafif ve en düşük yoğunluğa sahip olan aerojeller bu noktada insanlığa çözüm olarak kendini göstermektedir. Kontrol edilebilir gözenek yapısının sağladığı büyük yüzey alanı, yüksek sıcaklık dayanımı ve yüksek elektrik iletkenliği gibi benzersiz birçok yapısal özelliği ile ön plana çıkan aerojellerin üretimi süperkritik akışkanlar yardımıyla gerçekleşen süperkritik kurutma ile sağlanmaktadır. Karbon aerojel, tekstil, sağlık, gıda, tarım, ilaç, malzeme gibi birçok sektörde hayatımızı kolaylaştıracak özelliklere sahiptir.
Investigation of hydrogen production with the method of high temperature electrolysis using industrial waste heat
Energy is one of the most important needs for fulfillment of humankind's main inputs, for social and economical development of the country. Along with the constantly developing technology the most advanced technology is known that hydrogen energy system which is environmental friendly and sustainable can be met the increasing energy requirements. This thesis aims to create an efficient, effective and multiple-disciplinary solution package within the circle drawn to produce hydrogen evaluating the waste heat. The solution package which will be created for the purpose of the thesis consists of two main processes: -The first process is to catch the waste heat with a heat exchanger. In this process, design limits are determined by an acceptable pressure drop of fluid and the total amount of heat that can be transferred. -The second process is to produce hydrogen using high-temperature steam electrolysis. Captured heat in the first process provides the heat of the electrolysis. In this process, the geometry of the electrode and material are focused on fundamental issues. In this process, the efficiency of the different options and economic analysis was performed. Literature review was made for heat exchanger design. Parametric analytic heat transfer calculations based on geometry having optimal values were performed. Then pressure of the fluid and heat transfer losses are limit taking in to account environmental factors. Number of electrolysis cell, the number of stacks and cell area which are the parameters that affect the high temperature electrolysis are determined on the basis of previous studies with a literature search. Steam temperature and steam flow rate that are calculated parametrically for the system.
Kaya gazı üretim tekniklerinin,taşınımlarının ve maliyetlerinin incelenmesi
Konvansiyonel enerji kaynaklarının gün geçtikçe azaldığı ve bu doğrultuda enerji fiyatlarının da sürekli artış eğiliminde olduğu günümüzde konvansiyonal olmayan gaz kaynakları, petrol ve doğal gaz sektörünün yeni ilgi odağı olmuş durumdadır. Özellikle, kaya gazının potansiyelinin anlaşılması sonrasında, gerek petrol endüstrisi gerekse de dünya ekonomileri, sahip oldukları potansiyel kaya gazı kaynaklarını arama ve yeryüzüne çıkarma çabasındalardır. Kaya Gazı, organik madde yönünden zengin kil ile kuvars ve kalsit minerallerinden oluşan tortul kayacın küçük gözeneklerinde bulunan ve yatay sondaj ile hidrolik kırma yöntemleriyle yer yüzüne taşınabilen, konvansiyonel olmayan enerji kaynakları arasında yer alan gazdır. Türkiye de, toprakları altında önemli kaya gazı kaynakları olduğu varsayılan ülkeler arasında yer almaktadır. Güneydoğu Anadolu bölgesi bu açıdan, en önemli bölge olarak görülmektedir. Ancak yeterli teknik verinin olmaması nedeniyle ülkemizin rezerv miktarı ve rezervuar özellikleri tam olarak bilinmese de, bu konudaki araştırma süreci devam etmektedir. Bu çalışmada dünyada yaklaşık 500 trilyon m³ rezervi olduğu tahmin edilen kaya gazının yapısı, potansiyeli, Türkiye'deki kaya gazının mevcut durumu, üretim teknikleri, bundan kaynaklanan çevresel kaygılar, çevresel kaygıların giderilmesine dönük geliştirilen teknolojiler ele alınmıştır.
850 Mw doğal gaz kombine çevirim santralinde ekserji ve enerji analizi
Doğal gaz kombine çevrim santrallerinin faaliyet alanları içerisinde bulunan atık ısı kazanları, buhar türbini ve yoğuşma ünitelerinin termodinamik optimizasyonu, gaz türbinin atık ısı çıkışından üretilen güce kadar geçen süre içerisinde en iyi verimi geliştirebilmek için çok önemlidir. Enerji tüm dünyada zorunlu bir gereksinim haline gelmiştir. Birçok ülke alternatif enerji kaynakları ile ilgilenmekte ve yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji elde etmeye çalışılmakta ve mevcut santrallerin daha verimli kullanımı için çaba sarf etmekte devamlı kayıp analizleri yapılmaktadır. Kayıp belki önlenemez ancak ne kadar azaltılırsa doğal kaynaklara, ülke ekonomisine ve insanlığa büyük kazançlarla geri döner. İnsanları ya da devletleri gelişmiş denilen kavrama ulaştıran hassas nokta farkındalık ve ona erişebilmek için yapılan çalışmalardır. Bu yüzden bu çalışma içeresinde fosil kökenli bir madde olan doğal gaz ve onunla çalışan doğal gaz çevrim santraline ait operasyon verileri ile termodinamik optimizasyon uygulanarak kayıp tespit edilmeye çalışılmıştır. İşletme verileri üzerinden alınan değerler ile ekserji analizleri ünite ünite uygulanarak toplam ekserjileri ve kayıp ekserjileri belirlenerek tablolar halinde sunulmuştur.
Kentsel katı atıkların termoliz yöntemi ile işlenmesinin termodinamik analizi
Günümüzde kentlerin en büyük sorunlarından biri, sanayileşme neticesinde elde edilen ilerlemeyle doğru orantılı olarak yaşam standartları yükselirken önlenemeyen nüfus artışının da doğal kaynakların tükenmesine ve çevrenin artan katı atık miktarı yüzünden hızla kirlenmesine sebep olmasıdır. Tüketim alışkanlıklarının değişmesi neticesinde kişi başına üretilen katı atık miktarı her geçen gün artmaktadır. Bu sorun atıkların bertarafında kullanılan teknolojilerin ekonomik ve çevre dostu olması ile ilgili endişeleri arttırmaktadır ve konuyla ilgili araştırmalar giderek artmaktadır. Tüm dünyada sürdürülebilir kalkınma yaklaşımı kapsamında; atıkların çevre ve insan sağlığı açısından bir tehdit olmaktan çıkıp, ekonomi için bir girdiye dönüştürülmesini amaçlayan atık yönetim stratejileri benimsenmektedir. Entegre katı atık yönetimi, kaynakta atık azaltma, yeniden kullanım, geri dönüşüm ve geri kazanım uygulamaları ile başlayıp, oluşan atığın toplanması ve nihai bertarafı ile son bulan bir prosestir. Atıkları enerjiye dönüştürmek için çeşitli teknolojiler mevcuttur. Bu teknolojilerin başlıcaları düzenli depolama, yakma, piroliz, gazifikasyon ve anaerobik çürütmedir. Düzenli depolama atıkların mühendislik esaslarına göre depolanmasıdır. Oluşan depo gazı enerji üretiminde kullanılır. Yakma teknolojisinde, atıklar kontrollü olarak ısı geri kazanımı sağlanarak yakılırlar ve buhar türbinleri kullanılarak elektrik üretimi gerçekleştirilir. Gazlaştırma teknolojisi ilk aşamada piroliz içerir daha sonra bunu yüksek sıcaklıklı reaksiyonlar takip eder ve düşük molekül ağırlıklı gazlar üretilir. Üretilen gaz içten yanmalı motorlar veya boylerler kullanılarak enerji üretimi için değerlendirilir. Bu çalışmada kentsel katı atıklardan enerji üretim teknolojileri hakkında detaylı literatür taraması yapılmış, tezin birinci bölümünde, çalışmanın önemi, amacı ve kapsamı açıklanmıştır. İkinci bölümde katı atık konusu ile ilgili tanımlar yapılmış ve birbirleriyle kıyaslanılmıştır. Daha sonra kentsel katı atık bertaraf metotları geri kazanım, düzenli depolama, termal dönüşüm teknolojileri ve biyolojik dönüşüm teknolojileri sırasıyla anlatılmıştır. Bunlardan enerji geri kazanımı sağlayan teknolojiler özellikle termal bertaraf yöntemlerinden pirolizin termodinamik analizi yapılmıştır. Son bölümde sonuçlar değerlendirilmiş ve öneriler yapılmıştır.
Elektroliz yöntemi ile 20 m3/h kapasiteli hidrojen üretecinin tasarımı ve gözenekli elektrot malzemelerinin parametrelere etkisinin araştırılması
Yaşadığımız çağda toplumların küresel dünya kavramı içerisinde aldıkları yeri belirleyen temel unsurlardan biri enerjidir. Bu bağlamda toplumlar rezervleri tükenmek üzere olan fosil kaynaklı enerjileri kullanmak yerine yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmektedir. Bu yönelişteki temel amaç rezerv olarak zengin enerji kaynaklarını dışa bağımlı olmaksızın kullanarak gelişmişlik düzeyini arttırmaktır. Yenilenebilir enerji kaynaklarına geçişi hızlandıran bir diğer zorunluluk ise küresel ısınmaya bağlı çevre sorunlarının kabul edilemez düzeye ulaşmasıdır. Hidrojen gazı insan ve çevreye olumsuz herhangi bir etkisinin olmaması, sınırsız bir şekilde üretilebilmesi ve taşınması, enerji içeriğinin yüksek olması, çok yönlü kullanılabilirliği, efektif maliyeti gibi nedenlerden dolayı en önemli potansiyel enerji taşıyıcısı olarak kabul edilmektedir. Gelişen teknoloji ve bilime paralel olarak hidrojen elde etmek için harcanan enerji gittikçe azalırken, hidrojenden elde edilen enerjinin hem miktarı hem de verimi artmaktadır. Bu çalışmada; elektroliz yöntemi ile hidrojen üreten 20 m³/h kapasiteli bir ünite tasarlanmıştır. Tasarım parametreleri belirlenerek, detay mühendislik hesapları için bir optimizasyon metodu geliştirilmiştir. Buradan elde edilen verilere göre ünite gerçek ölçülerinde tasarlanmıştır. Ayrıca gözenekli elektrot malzemelerinin parametrelere etkileri üzerinde araştırmalar yapılmıştır.
Inline tip santrifüj pompalarda verim analizi ve kavitasyon incelenmesi
Sanayi ve teknoloji alanında yaşanan büyük gelişmelerle birlikte enerjinin kullanımı ve maliyetleri giderek artmıştır. Bu amaçla, tüm dünyada enerji verimliliğini artırmaya yönelik çalışmalar yoğunlaştırılmıştır. Bu tez çalışmasında sanayide tüketilen elektrikte büyük bir paya sahip olan santrifüj pompalardan inline tipli santrifüj pompaların enerji tüketim oranları araştırılmış, santrifüj pompalarda enerji verimliliği ve tasarrufun öneminden bahsedilmiştir. Santrifüj pompaların tarihçesi, çalışma prensipleri temel tipleri ve elemanlarına değinildikten sonra pompalar ile ilgili kavramlar ve hesapları anlatılmıştır. Pompa performansının ayarlanması için kullanılabilecek yöntemler tartışılmış, sayısal örnekler ile bu yöntemlerin birbirlerine üstünlükleri incelenmiştir. Pompa sistemi bir bütün olarak dikkate alınmış ve yüksek verimli motor kullanımının önemine, faydalarına ve sağlayacakları tasarrufa çeşitli örneklemelere yer verilmiştir. Kavitasyon tanımı yapılmış, kavitasyona sebep olan etkenler belirtilmiştir. Kavitasyondan korunma yöntemleri anlatılmıştır. Inline tipli santrifüj pompalarda performans ve kavitasyon testi yapılmıştır. Yapılan test sonucunda pompa performans raporu ve pompa kavitasyon test raporu elde edilmiştir. Pompa performans raporu sonucunda en ideal çalışma noktasının önemi anlatılmıştır. Kavitasyona uğrayan pompada meydana gelen olumsuzluklar belirtilmiştir.
Alkali elektrolizde hidrojen üretiminin kütle transfer teorisi ile incelenmesi
Enerji, insanoğlunun temel girdilerinin karşılanmasında, ülkelerin sosyal ve ekonomik olarak kalkınmasında gerekli en önemli ihtiyaçlardan biridir. Sürekli olarak gelişen teknoloji ile birlikte yükselen ivmeyle enerji talebindeki artışı, çevre dostu olan ve sürdürülebilir olarak sağlayabilecek en ileri teknolojinin hidrojen enerji sistemi olduğu bilinmektedir. Hidrojen enerjisi de taşıdığı özellikler, potansiyeli ve kullanım alanları itibarıyla son yıllarda gelecek vadeden en önemli alternatif enerji kaynaklarından birisi olarak yer almış bulunmaktadır. Gelecek adına gerçekleştirilecek olan tüm çalışmalarda enerji verimliliğinin önemli bir kilit nokta olduğu bilinmektedir. Suyun alkali elektrolizi (2H_2 O→〖2H〗_2+O_2) yöntemi ile hidrojen gazı (H2) üreten uygulamalarda tüm teorik analizler klasik fizik bakış açısı ile gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışmasında öncelikle farklı disiplinler tarafından incelenen elektroliz teknolojisinin incelenmesi ve analizi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca bugüne kadar literatürde benzeri olmayan yeni bir bakış açısıyla elektroliz teknolojisi, elektroliz kavramı yeniden tanımlanmaktadır. Bu çalışmada alkali elektroliz kavramı modern fiziğin ve kuantum fiziğinin bakış açısıyla yeniden değerlendirilmiştir. Özellikle enerji verimliliği hakkında sunmuş olduğu yaklaşımlar önem arz etmektedir. Literatürde alkali elektroliz ayrışma gerilimi olarak 1,227 V değeri yer almaktadır. Bu tez çalışmasında su molekülü ile hidrojen atomu modellemesi gerçekleştirilerek hidroksil iyonunun (OH-) hidrojen atomundan (H+) ayrışması için gerekli potansiyel gerilimi kuantum tünelleme metodu kullanılarak, literatürde yer alan ayrışma geriliminden daha düşük olarak hesaplanmıştır. Çalışmalarda moleküler parçacıkların gerçekleştirdiği dalga hareketinin, hareket yörüngesinden ayrışmasına etki eden olumlu etkisi değerlendirilmiştir. Tez çalışmasında, kuantum fiziğinin bilim dünyasına kazandırmış olduğu yeni kavramlar enerji verimliliğine uyarlanarak, literatüre farklı bir mühendislik modeli kazandırılmıştır. Bu tez çalışmasında, hidrojen elektrolizi ile ilgili üretilecek olan yeni sistemlerin, yeni elektroliz reaktörlerinin tasarımına da ışık tutacak şekilde konuyu analitik ve nümerik yöntemlerle analiz edilmiş ve öneride bulunulmuştur.
Kentsel katı atıkların termal işlenmesinin enerji optimizasyonu
Kentsel katı atık içeriği bölgeden bölgeye, ülkeden ülkeye, ilden ile hatta aynı il için yıldan yıla göre bile değişiklik gösterdiği için, literatürde farklı menülerde hazırlanmış kentsel katı atığın pirolizine ait veri bulunmamaktadır. Bu çalışmada kentsel katı atıklardan enerji üretim teknolojileri hakkında detaylı literatür taraması yapılmış, sıcaklığın termal bertaraf yöntemlerinden piroliz işleminin sonucunda elde edilecek son ürün miktarlarına ve özellikle metan gazı miktarına olan etkisini araştırmak üzere deneyler yapılmıştır. Ayrıca döner fırın piroliz reaktörü nümerik olarak modellenmiş, kütle, enerji, momentum ve ısı transferi denklemleri türetilmiştir. Aynı zamanda üç farklı çap/boy oranında tasarlanan piroliz reaktörü için sonlu elemanlar modeli oluşturulmuş, 2015 yılı Kocaeli ili çevre durum raporundan alınan verilerle giriş sıcaklığı, partikül boyutu ve dönme hızlarında farklı değerler denenerek toplamda 81 adet hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi yapılmıştır. Maksimum metan gazı miktarının elde edildiği analiz şartlarına göre Kocaeli ilinin kentsel katı atıklardan elde edilebilecek enerji potansiyeli hesaplanmıştır. Metan miktarı açısından sonlu elemanlar analizi ile deneysel verilerin birbiriyle örtüştüğü ve buna bağlı olarak da Kocaeli ilindeki kentsel katı atıkların piroliz işlemine tabi tutulmaları halinde meydana gelecek gaz ürünlerden sadece metan gazının değerlendirildiğinde bile üretilebilecek yıllık elektrik enerjisinin yaklaşık 156 GWh olduğu hesaplanmıştır.
Bir kentsel katı atık termal işleme tesisinin yakıt üretim ve enerji verimliliğinin araştırılması
Fosil ve yeraltı kaynaklarının hızlı bir biçimde tükenmesi içinde bulunduğumuz yüzyılın kaçınılmaz bir gerçeği olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu hızlı tüketim ülkemizde ve dünyada alternatif enerji arayışlarını kaçınılmaz hale getirmektedir. Bu arayış bilim insanlarını çeşitli enerji kaynaklarını yeni teknolojiler üreterek kullanmaya teşvik etmektedir. Bunun yanında geçmişten günümüze kadar, insanoğlunun doğası sebebiyle düzenli bir tüketim yapması sonucu, büyük ve engellenemeyen bir atık oluşumu ve birikimini beraberinde getirmektedir. Bu atıkların termal yöntemler ile bertarafının sağlanması ise, enerji kaynağı arayışına bir alternatif olarak kendini göstermektedir. Termal işleme (Tİ) yöntemlerinden birisi olan piroliz işleminin gerçekleştirildiği bu çalışmada, piroliz teknolojisi olaraksabit yataklı ve döner yataklı iki ayrı sistem kullanılmıştır. Çalışmada öncelikle kentsel katı atıkları (KKA) oluşturan temel bileşenler belirli oranlarda karıştırılarak farklı menüler elde edilmiştir. Bir sonraki adımda menülere ısıl aktif katalizörler (sepiyolit ve boksit) eklenmiştir. Eklenen katalizörlerin piroliz işlemi sonucunda elde edilen son ürünlerin nitelik ve niceliklerine olan etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Elde edilen katı ve sıvı son ürünlerinin ısıl değer tayinleri kalorimetre bombasında hesaplanmıştır. Bu sayede her iki sistemin ısıl verimlilikleri ve proses verimlilikleri hesaplanmıştır. Ayrıca farklı oranlarda eklenen polimer ve selüloz içerikli malzemelerin, piroliz işlemi son ürünleri üzerine etkileri de gözlemlenmiştir.
Kataforez kaplama prosesinde oluşan hidrojen gazının pişirme fırınında değerlendirilmesinin incelenmesi
Günümüzde küresel ısınma nedeniyle oluşan çevresel etkiler giderek artmaktadır. Bu tezin amacı kataforez prosesinde oluşan hidrojen gazının kurutma fırınında değerlendirilerek, daha az yakıt harcanması ve yanma sonucu ortaya çıkan kirletici gazların azaltılması amacıyla araştırma yapmaktır. Böylelikle işletmenin tasarruf edeceği yakıt miktarının hesaplanması, çevreye salınan emisyonun azaltılması ve olumlu çevresel etkilerin incelenmesidir. Dünya çapında kurulu 3000 den fazla boyahane bulunmaktadır ve küresel çapta konunun değerlendirilmesi yapılacaktır.
Kentsel katı atıkların ince tanecik boyutuna parçalanmasının gaz oluşumuna etkisinin incelenmesi
Kentsel Katı Atık parçalanması ve boyut küçültmesi sıklıkla entegre katı atık yönetimi altında malzeme geri kazanımı sektöründe yani geri dönüşümde kullanılmaktadır. Tarihsel olarak boyut küçültmenin faydaları üç başlıkta incelenmektedir. Bunlardan ilki, atık yığınının ham Kentsel katı atığı kâğıt, plastik ve cam ambalajların malzeme geri kazanımının ve ayrılmasının daha verimli olabilmesi için parçalara ayrılarak temel bileşenlerine ayrılmasıdır. İkincisi ise Kentsel Katı Atık parçalanmanın ortalama tane boyutunu takip eden herhangi ekipman ya da personelin işlemesi için daha kolay bir boyuta indirgemesidir. Son olarak ve malzeme geri kazanım tesisleri için en önemlisi parçalama işleminin farklı Kentsel katı atık malzeme bileşenleri için farklı boyut dağılımları üreterek hava sınıflandırıcılar, elekler ve optik ayırıcılar gibi otomatik malzeme ayırma işlemlerini mümkün kılmasıdır. 1985 senesi öncesinde boyut küçültme cihazı tasarımında kullanılan başlıca prensip sadece darbe gücünün uygulanmasına odaklanmıştı. Böylesi bir düşüncenin sonuçları sermaye ve işletme maliyetlerinde artışa neden olan daha büyük ve daha ağır makineler olmuştur. Kentsel katı atığın kompozisyonu o kadar çeşitlidir ki Kentsel katı atık için tasarlanan makinelerin hem yumuşak hem de sünek malzemeler ve bunların yanı sıra metal ve yoğun plastikler gibi sert ve dayanıklı malzemelerin işlenmesi için yeterli olacak kadar güçlü olması gerekmektedir.