Biyogaz reaktöründeki karıştırıcının türbülanslı akış koşullarında sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the mixer in the biogas reactor under turbulent flow conditions
Yazar: AHMET FIRAT ÇELİK
Danışman: PROF. DR. OĞUZ TURGUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yapılan bu tez çalışmasında, biyogaz reaktörü olarak adlandırılan tank geometrisinin, tank içerisindeki karıştırıcı şeklinin ve açısal hızının akış karakteristiği üzerindeki etkisi sayısal olarak incelenmiş ve biyogaz üretimi açısından performansı değerlendirilmiştir. Tank geometrisi olarak alışılagelmiş silindirik ve kesik konik tip biyogaz reaktörü kullanılmıştır. Dört kanatlı, altı kanatlı ve yeni tasarlanan matkaplı Rushton tipi karıştırıcılar incelenmiştir.  25-1000 rpm aralığındaki açısal hızlar için çalışma gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışmada ANSYS Fluent R 19 paket programı kullanılmıştır. Farklı türbülans modelleri (Standart k-, Standart k-, RSM ve LES) kullanılarak yapılan doğrulama çalışmasından sonra çalışmaya Standart k- türbülans modeli ile devam edilmiştir. Sonuçlar elde edilen hız dağılımları, güç tüketimi, türbülans kinetik enerji (k), türbülans kinetik enerji yayılım hızı (), basınç ve ölü bölge hacmi üzerinden değerlendirilmiştir. Rushton karıştırıcılı silindir tipi reaktör çalışmasında yüksek açısal hızlarda silindirik, altı kanatlı Rushton karıştırıcı dört kanatlıya kıyasla türbülansı daha fazla artırdığı için ve diğer parametreler açısından avantajlı olduğu için Rushton karıştırıcılı vorteks tipi reaktör çalışmasında altı kanatlı Rushton karıştırıcı kullanılmıştır. Vorteks tankı ile silindir tankı kıyaslanmıştır. Yapılan analiz sonuçlarında hız bölgelerine ayrılarak ayrıntılı bir biçimde yüksek ve düşük hız bölgeleri incelenmiştir. Yer çekiminin etkisinden ötürü reaktörün alt bölgelerinde hız azalmaktadır. 60º'lik ters konik biçiminde oluşturulan vorteks reaktörü bu etkiyi azaltmakta ve biyogaz üretimine olumlu yönde etki etmektedir. Matkaplı Rushton karıştırıcılı vorteks tipi reaktör çalışmasında ise vorteks şeklindeki biyogaz reaktörünün içerisine altı kanatlı Rushton karıştırıcı ve yeni tasarlanmış olan Matkaplı Rushton Karıştırıcısının akış karakteristiği üzerine etkisi incelenmiştir. Tezin son aşamasına geçildiğinde düşük açısal hızlar çalışılmıştır. Bunun sebebi ise yüksek hızlarda mikroorganizmaların ölmesidir. Yapılan bu tez çalışmasında biyogaz üretiminin tek bir parametreye bağlı olmadığı sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak, vorteks reaktörü içerisindeki Matkaplı Rushton karıştırıcının 100 rpm açısal hızında daha verimli bir karıştırma olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
In this thesis study, the effect of the tank geometry, stirrer shape, and angular velocity in the tank on the flow characteristics, called the biogas reactor, was numerically examined, and its performance in biogas production was evaluated. Conventional cylindrical and truncated conical type biogas reactor was used as tank geometry. Four-wing, six-wing, and newly designed drill Rushton-type mixers were examined. The study was carried out for angular speeds of 25-1000 rpm. ANSYS Fluent R 19 package program was used in the numerical study. After the validation study using different turbulence models (Standard k-, Standard k-, RSM, and LES), the study continued with the Standard k- turbulence model. The results were evaluated based on velocity distributions, power consumption, turbulent kinetic energy (k), turbulent kinetic energy dissipation rate (), pressure, and dead zone volume. In the cylindrical type reactor with Rushton stirrer study, a six-bladed Rushton mixer was used in the vortex type reactor with Rushton stirrer study because the cylindrical six-blade Rushton mixer increases turbulence more than the four-blade one at high angular speeds and is advantageous in terms of other parameters. The vortex tank and cylinder tank were compared. The analysis results detailed high and low-speed zones by dividing them into speed zones. Due to the effect of gravity, the velocity decreases in the lower regions of the reactor. The vortex reactor, created in a 60º reverse conical shape, reduces this effect and positively affects biogas production. In the vortex-type reactor study with the drilled Rushton mixer, the impact of the six-blade Rushton mixer inside the vortex-shaped biogas reactor and the newly designed Drilled Rushton Mixer on the flow characteristics were examined. In the final phase of the thesis, low angular velocities were studied. The reason for this is that microorganisms die at high speeds. In this thesis study, it was concluded that biogas production does not depend on a single parameter. As a result, it was observed that the Drill Rushton mixer in the vortex reactor provided more efficient mixing at an angular speed of 100 rpm.