Theses supervised by Şehmus Altun
8 theses · Batman University
Yosun yağından biyodizel üretimi ve bir dizel motorunda alternatif yakıt olarak kullanılması
Bu çalışmada, yosun yağından transesterifikasyon reaksiyonu ile biyodizel üretimi ve dizel motorlarda kullanılabilirliği araştırılmıştır. Biyodizel üretimi için %5 termal su eklenmiş tatlı suda ve tam otomatik closed-loop sistem yüksek teknolojili piramit fotobiyoreaktörlerde yetiştirilen tek hücreli ve yağ üretimi için adapte edilmiş Chlorella protothecoides türü yosunlardan elde edilen yağ kullanılmış ve bu yağın düşük asit değerinden (0.22 mgKOH/gr) dolayı baz katalizörlü transesterifikasyon uygulanmıştır. Transesterifikasyon reaksiyonu için alkol olarak %99.7 saflıkta metil alkol ve katalizör olarakta %99.9 saflıkta potayum hidroksit (KOH) kullanılmıştır. Yosun yağından biyodizel üretiminde en uygun şartların belirlenmesi için laboratuvar ölçekli bir dizi ön deneyler yapılmıştır. Bu deneylerde metil alkol/yağ molar oranı 6:1 olarak sabit tutulup katalizör miktarının (kütlesel olarak yağın %0.5, %0.75 ve %1'i kadar KOH), reaksiyon sıcaklığının (60-70 0C) ve reaksiyon süresinin (60-100 dakika) metil ester verimi, viskozite ve yoğunluk üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Yapılan optimizasyon çalışmaları sonucunda 6:1 metil alkol/yağ molar oranı, kütlesel olarak yağın %0.75'i kadar KOH kullanımı, 68 °C reaksiyon sıcaklığı ve 80 dakikalık reaksiyon süreleri biyodizel üretimi için en uygun şartlar olarak belirlenmiştir. Bu şartlarda %98.67 metil ester verimi elde edilmiş ve nihai biyodizel ürününün kinematik viskozite ile yoğunluk değerleri 4.491 mm2/s ve 881 kg/m3 olarak ölçülmüştür. Üretilen biyodizelin fiziksel ve kimyasal analizleri sonucunda %96'nın üzerinde bir ester içeriğine sahip olduğu ve metanol, mono-, di- ve tri-gliserit ile serbest ve toplam gliserol içeriğinin EN 14214 ve ASTM 6751 biyodizel standartlarında belirtilen maksimum değerlerin çok altında olduğu tespit edilmiştir. Bununla beraber viskozite, yoğunluk, parlama noktası, setan sayısı, asit değeri, kükürt ve su içeriği gibi özelliklerin belirtilen standartlar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Ayrıca üretilen biyodizelin standart yakıt özelliklerine sahip olmasının yanında yüksek setan sayısı (57.3) ve iyi soğuk filtre tıkanma noktası (-10 0C) gibi özellikleri onu önemli bir alternatif dizel motor yakıtı yapmaktadır. Biyodizel ve onun petrol kökenli dizel yakıtı ile hacimsel olarak %20 oranındaki karışımı dört zamanlı ve direkt püskürtmeli dizel motorunda sabit motor devir sayısında ve değişik motor yüklerinde alternatif yakıt olarak kullanılarak, yanma, performans ve egzoz emisyonları petrol kökenli dizel yakıtı ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Deneyler sonucunda, biyodizel ve karışım yakıtın özgül yakıt tüketiminde artış; efektif verimde ise dizel yakıtına göre hafif bir düşme olduğu gözlemlenmiştir. Biyodizel ve karışım yakıtın kullanılması ile dizel yakıtına göre biraz daha yüksek silindir gaz basıncı ve maksimum ısı salınımı elde edilmiştir. Emisyon testleri sonucunda, biyodizelin yanmamış hidrokarbon emisyonları ve duman koyuluğu değerlerinde önemli azalmalar sağladığı belirlenmiştir. Buna karşın NOx emisyonlarında artış görülmüştür.
Dizel motorlarında yakıt olarak farklı oranlarda metanol kullanımının sayısal incelenmesi
İçten yanmalı dizel motorlarında petrol kökenli yakıt tüketiminin ve zararlı egzoz emiyonların azaltılması çalışmaları kapsamında alkol yakıtları yoğun bir şekilde araştırılmaktadır. Alkol yakıtları arasında özellikle taşımacılık sektörünün karbonsuzlaştırılması kapsamında metil alkole (metanol) olan ilgi giderek artmaktadır. Bu çalışmada bir dizel motorunda alternatif yakıt olarak farklı oranlarda metanol kullanılmasının sayısal olarak araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaç ile dizel yakıtına kademeli oranlarda eklenen metanolün ANSYS-Forte ortamında oluşturulan tek silindirli ve direk püskürtmeli bir dizel motor modelinde yakıt olarak kullanılması sonucu yanma ve egzoz emisyon karakteristiklerindeki değişimler incelenmiş ve ayrıca en fazla metanol oranının tespit edilmesi amaçlanmıştır. Çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Öncelikle dizel yakıtına hacimsel olarak metanol eklenmesinin etkisi araştırılmıştır. Bu şekilde hacimsel olarak %40 oranına kadar eklenmiş ancak bu oranda yanma yeterli bir düzeyde gerçekleşmemiştir. Dolayısıyla hacimsel olarak %10, %20 ve %30 oranlarında metanol ve dizel yakıtından oluşan (M10, M20 ve M30) karışım yakıtları kullanılarak motor performansı, egzoz emisyonları ve yanma karakteristikleri sayısal olarak incelenmiştir. Daha sonra %10 metanol içeren (M10) yakıt karışımı ile farklı püskürtme avansları çalışılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, yakıttaki metanol oranının artmasıyla indike basınç, maksimum basınç, yanma verimliliği, ısı salınımı, maksimum sıcaklık, silindir içi basınç, HC, NOx ve CO emisyonu değerlerinde düşüş izlenirken, ısıl verimde ise başta bir miktar artış izlenirken daha sonra yakıt karışımındaki metanol oranının artışına bağlı olarak ısıl verimde düşüş olduğu görülmüştür. Çalışmanın ikinci aşaması olan M10 yakıtında püskürtme avansının arttırılmasıyla, maksimum basınç, yanma verimliliği, yanmamış HC emisyonu, NOx, ısı salınım oranı, maksimum sıcaklık ve silindir içi basınç değerlerinde artış; indike basınç, ısıl verim ve CO emisyonunda ise avansın arttırılmasıyla birlikte düşüş olduğu tespit edilmiştir.
Elektrikli mini bir otomobilin aerodinamik performansının sayısal olarak incelenmesi
Günümüzde petrol türevi yakıtların çoğunlukla kullanıldığı motorlu taşıtların neden olduğu çevre ve hava kirliliğinin azaltılması kapsamında elektrikli taşıtlara olan ilgi artmıştır. Bununla beraber, içten yanmalı motor kullanılan taşıtlarda olduğu gibi elektrikli taşıtlarda da aerodinamik performans tasarım ve güvenlik açısından olduğu gibi taşıt menzilini de etkileyen önemli bir faktör olmaktadır. Dolayısıyla bu araçlarda da aerodinamik performansın incelenmesi ve optimizasyonu taşıt menzilinin artırılması açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, kullanımda olan bir elektrikli taşıtın aerodinamik performansı sayısal olarak incelenmiş ve performansın artırılması için yan aynalar ile tekerleklerin optimizasyonu araştırılmıştır. Rüzgâr tünellerinde yapılan deneysel ölçümler yerine, hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile bilgisayar programları kullanarak aerodinamik performansın incelenmesi, zaman ve maliyet açısından avantaj sağlar. Çalışmada taşıtın orijinal boyutları referans alınarak basitleştirilmiş bir taşıt geometrisi 1:1 ölçekte tek boyutta SolidWorks programında oluşturulmuştur. Model ANSYS Fluent yazılımı standart duvar fonksiyonu ve k-epsilon (2 eqn) türbülans modeli şartlarında analiz edilerek sürükleme (CD) ve kaldırma katsayılarındaki (CL) değişim gözlemlenmiştir. Ayrıca, taşıt yüzeyi ve çevresindeki hız ve basınç dağılımları, akım çizgileri ile vektörler incelenmiştir. Yapılan analizlerde, orijinal modele göre CD değerindeki düşüşler, tekerleklerin optimize edilmesi ile %5,2'lik bir azalma ve yan aynaların optimize edilmesi ile %8,9'luk bir azalma sağladığı tespit edilmiştir. Bu iyileştirmeler, yakıt tasarrufu ve sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşmak için etkili yöntemlerdir. Sonuç olarak, her iki yaklaşımın da aerodinamik performansı iyileştirmede potansiyele sahip olduğunu göstermektedir.
Biyodizel kullanılan bir dizel motorlu jeneratörde soğuk ve sıcakta ilk çalıştırma sırasında oluşan egzoz emisyonlarının incelenmesi
Dizel motorlar yüksek verimleri ve dayanıklı olmaları nedeniyle taşımacılık, inşaat, tarımsal ve endüstriyel faaliyetler gibi birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bununla beraber jeneratör setlerinde de mekanik enerji kaynağı olarak tercih edilmektedir. Çoğunlukla yaşam alanlarına yakın ve atmosfere açık yerlerde konumlandırılan jeneratör setleri elektrik kesintilerinde çoğunlukla soğuk işletme şartlarında olmak üzere devreye girmektedirler. Jeneratör setlerinin kullanımın artması soğukta veya sıcakta ilk harekete geçiş durumunda oluşan egzoz emisyonlarının araştırılmasını önemli kılmaktadır. Bununla beraber biyodizel yakıtının bu çalışma şartlarında oluşan egzoz emisyonları üzerindeki etkisinin araştırılması da önem arz etmektedir. Bu çalışmada, soya yağı esaslı biyodizel ile petrol kökenli dizel yakıtının bir dizel motorlu jeneratör setinde soğuk ve sıcakta ilk harekete geçiş şartlarında egzoz emisyonlarına etkileri araştırılmıştır. Çalışmalar sabit motor devir sayısında, yüklü (%50) ve yüksüz durumlarında gerçekleştirilmiştir. Deneyler her iki test yakıtı için benzer şartlarda gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda, soğukta ilk harekete geçişte biyodizel kullanımında yakıt tüketiminin arttığı; egzoz ve motor soğutma sıvısı sıcaklığında ise hafif bir düşme olduğu gözlemlenmiştir. Egzoz emisyonları değerlendirildiğinde, biyodizel yakıtının kullanıldığı yüklü durumda ve soğukta ilk harekete geçiş dışındaki tüm koşullarda yanmamış HC emisyonunun petrol dizel yakıtına göre önemli ölçüde azaldığı, NOx emisyonunun ise tüm koşullarda azaldığı belirlenmiştir. Buna karşın duman emisyonlarında artış olduğu görülmüştür.
Bir dizel motorlu jeneratörün ilk hareket ve ısınma sürecinde oluşan emisyonları üzerinde biyoetanol kullanımının etkisi
Bu çalışmada dizel motorlu bir jeneratör setinde soğukta ilk çalıştırma ve ısınma sürecinde oluşan egzoz emisyonları üzerinde petrol kökenli dizel yakıtı ve biyoetanolden oluşan alternatif yakıt karışımlarının etkisi araştırılmıştır. Alternatif yakıt karışımları ile elde edilen sonuçlar petrol kökenli dizel yakıtı kullanımına göre karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlara göre; petrol kökenli dizel yakıtı ve biyoetanolden oluşan yakıt karışımları kullanımı sonrasında CO (karbonmonoksit) değerinin, petrol kökenli dizel yakıtına göre yüksüz durumda bir miktar artış gösterdiği ancak yakıt karışımlarındaki biyoetanol oranının ve motor yükünün artırılması ile CO miktarında bir azalma olduğu görülmüştür. Ayrıca %15 biyoetanol içeren karışım yakıtın en düşük CO emisyonuna sahip olduğu görülmüştür. İlk çalıştırmada (yüksüz durum) 50 ppm ile en yüksek yanmamış HC değeri petrol kökenli dizel yakıtıyla elde edilirken en düşüğü ise hacimsel olarak %10 biyoetanol içeren (BE10) yakıt karışımı ile 43 ppm olarak ölçülmüştür. Isınma sürecinde motor yükünün artırılması ile yine benzer sonuçlar elde edilmiştir. Yüksüz durumda ilk harekete geçişte petrol kökenli dizel yakıtı ile en yüksek BE15 ile en düşük NOx emisyonu ölçülmüştür. Isınma sürecinde yük ile beraber BE10 yakıtı ile yüksek NOx ölçülürken; petrol dizeli ve BE15 karışım yakıtı ile birbirine yakın değerler ölçülmüştür. Motor yüksüz durumda iken duman koyuluğunun en düşük olduğu yakıt türü BE15 iken, en yüksek duman koyuluğu BE10 yakıtında olduğu gözlemlenmiştir. Motora yük verildiğinde duman koyuluğu bir miktar artmış ve en yüksek duman koyuluğu BE10 yakıtı ile en düşük duman koyuluğu da BE15 ile tespit edilmiştir.
SUV model bir motorlu taşıtın aerodinamik performansının sayısal incelenmesi ve optimizasyonu
Hareket halindeki motorlu taşıtların etrafında havanın sürekli olarak yer değiştirmesiyle taşıtın tasarım, performans ve yakıt ekonomisi üzerinde önemli bir etkiye sahip olan aerodinamik direnç kuvvetleri oluşmaktadır. Taşıtın hızı arttıkça aerodinamik kuvvetlerin etkinliği de artmaktadır. Bu nedenle özellikle otomobiller gibi binek tip motorlu taşıtların dış tasarımlarının optimize edilmesi performans, güvenlik ve yakıt ekonomisi açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, J segmenti ve Premium SUV kategorisinde yer alan binek tipi bir motorlu taşıt modelinin aerodinamik performansı sayısal olarak ANSYS Fluent kullanarak incelenmiştir. Taşıtın orijinal boyutları referans alınarak taşıtın 1:1 ölçekte ve tek boyutta modeli SolidWorks’te çizilmiştir. Taşıt modeli üzerinde keskin hatların yuvarlatılması, ön cam açısı ile tavan çizgisi eğiminin azaltılmasının sürükleme (C_D) ve kaldırma (C_L) katsayısı değerleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Analiz sonuçlarına göre yapılan değişikler sonucunda modelin 0,255 olan C_D katsayısı %20 oranında (0,204) düşürülmüştür. Bununla beraber -0,218 olan C_L katsayısı -0,337’ye kadar düşürülmüştür. Taşıt yüzeyine etkiyen 559,2 Pa maksimum basınç değeri %4,05 oranında düşürülerek 536,5 Pa’a indirilmiştir. Yapılan geometrik revizeler neticesinde akım çizgilerinde daha stabil bir profil elde edilmiş ve hız vektörlerinin taşıt yüzeyinde hız kaybına uğradığı bölgeler azaltılmıştır. Böylece modelin aerodinamik etkinliği arttırılmıştır.
İzopropanol-bütanol-etanol (ıbe)’ün dizel ve biyodizel yakıtları ile karışımlarının bir dizel motorunda yanma ve emisyon karakteristiklerine etkisi
Bu tez çalışmasında, izopropanol-butanol-etanol (IBE)’den oluşan karışım alkol yakıtının tek silindirli, dört zamanlı ve direk püskürtmeli bir dizel motorunda yakıt olarak kullanılmasının yanma ve egzoz emisyon karakteristiklerine etkisi araştırılmıştır. Bu amaç ile IBE’nin hacimsel olarak %10, %20 ve %30 oranlarında petrol kökenli ticari dizel yakıtı ile karıştırılması ile elde edilen IBE10, IBE20 ve IBE30 karışım yakıtları 2400 devir/dakika sabit motor hızında ve maksimum torkun %20, %40 ve %60’ına karşılık gelen farklı yük durumlarında, 300 bar püskürtme basıncı ve 190KMA püskürtme avansında test edilerek yanma ve egzoz emisyonlarındaki değişim dizel yakıtı kullanımına göre karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlar ticari dizel yakıtına IBE eklenmesi ile düşük yük şartlarında yanmayı geciktirdiği ancak yükün artırılması ile bu gecikmenin azaldığını göstermiştir. Bununla beraber IBE’nin kullanılması silindir gaz basıncı değerlerinde düşük yük durumu hariç bir artışa neden olmuştur. Isı salınımı ise tüm yük kademelerinde artış göstermiş olsa da bu artış yakıttaki IBE miktarı ile orantılı olmamıştır. CO emisyonu yük ve IBE oranı ile önemli bir değişim göstermemiş ancak yanmamış HC emisyonları düşük yük koşullarında IBE’nin artması ile artarken %60 yükte azalmıştır. IBE’nin kullanılması ile duman yoğunluğu önemli bir derecede azalırken NOx emisyonlarındaki değişim karışım oranı ile orantılı olmamıştır. %20 yükte IBE10 kullanımı NOx emisyonlarında artışa sebep olurken; IBE20 ve IBE30 kullanımında ise NOx azalmıştır. Benzer bir durum %60 yük koşullarında da gözlenmiştir. %40 yükte ise IBE’nin artması ile NOx artmıştır. Bu durumda çalışmayı daha ileri getirilmesi adına IBE30 karışım yakıtı önce %60 yük koşullarında ancak farklı avans değerlerinde tekrar denenmiştir. Püskürtme avansının 190KMA’dan sırası ile 150KMA ve 170KMA’ya getirilmesi basınç ve ısı salınımı değerlerinde aynı zamanda NOx’te azalmaya neden olmuş ancak 210KMA ve 230KMA’da yapılan testlerde bu değerlerin daha da arttığı görülmüştür. IBE30 yakıtı önceki koşullarda hacimsel olarak %80 ve %60 oranlarında biyodizel ile karıştırılarak testler tekrarlanmıştır. Biyodizel katılması basınç ve ısı salınımını artırmış bununla beraber yanmamış HC ve NOx emisyonlarını düşürmüştür.
Bir dizel motorlu jeneratörün egzoz emisyonları üzerinde farklı dizel yakıtların etkisi
Bu çalışmada biyoetanol, n-butanol ve biyodizel gibi alternatif yakıtların dizel motorlu bir jeneratör setinin performans ve egzoz emisyonları üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Biyoetanol, n-butanol ve biyodizel sırasıyla petrol türevi dizel yakıtına hacimsel olarak %10, %16 ve %30 oranlarında katılarak benzer oksijen içeriğine sahip alternatif dizel yakıt karışımları elde edilmiştir. Bu karışım yakıtları ve petrol türevi dizel yakıtı 4-zamanlı ve 4-silindirli doğal emişli dizel motorlu jeneratör setinde sabit devir (1500 dev/dak) ve farklı yük şartlarında test edilmiştir. Testlerde ayrıca her bir yakıt ve işletme şartı için silindir gaz basıncı ölçümü yapılmış ve bu değerler kullanılarak net ile toplam ısı salınımı hesaplanmıştır. Deneysel sonuçlar biyodizel katkılı yakıt karışımı kullanımında özgül yakıt tüketiminde yaklaşık %10 oranında bir artış olduğunu, efektif verimin ise önemli bir şekilde değişmediğini göstermiştir. Bununla beraber alkol katkılı karışım yakıtları kullanımında özgül yakıt tüketimi petrol dizeli kullanımına göre %8-10 arasında daha düşük olurken; efektif verim ise yaklaşık %5 oranında artmıştır. Alternatif yakıtların kullanımında ortalama NOx emisyonları dizel kullanımına göre azalmış ve alkol katkılı yakıtların kullanımında bu azalma daha fazla olmuştur. Yanmamış HC emisyonlarında ise tersi bir durum gözlemlenmiştir. Biyodizel karışımı kullanımı ile %20 oranında daha düşük olurken; alkol katkılı yakıtların kullanımı ile yaklaşık %15 oranında artmıştır. Duman emisyonları düşük ve orta yük kademelerinde alternatif yakıtlar ile ölçülmeyecek derecede düşük çıkmıştır. Maksimum silindir gaz basıncı değerleri alternatif yakıtların kullanımında petrol dizeline göre daha yüksek ölçülmüştür. Bununla beraber alkol katkılı yakıtların kullanımı ile yanma dizele göre daha geç başlarken biyodizel karışımı kullanımı ile yanmanın başlaması daha erken olmuştur.