Güneş enerjili akış borulu taşkın-akışkan yatak zeolit kurutucusunun enerji analizi
Energy analysis of a solar assisted draft tube spout-fluid zeolite dryer
Yazar: VAHID NASIRIMAREKANI
Danışman: PROF. DR. MURAT KÖKSAL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Temiz Tükenmez Enerjiler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Türkiye'nin madeni zenginliklerinden olan ve Manisa Gördes'te elde edilen zeolit kliniptilolitin, topraktan çıkarıldıktan sonra kurutulması gerekmektedir. Zeolitler kristal yapıda hidrasyona uğramış alüminyum silikatlardır. Gözenekli yapısı ve yüksek iyon değiştirme kapasitesi sayesinde havyan yemlerinde bulunan mikotoksinleri hayvan sağlığını bozmayarak adsorbe edebilme özelliği nedeniyle yem katkısı olarak kullanılmaktadır. Yaklaşık 250 mikron boyutunda olan zeolit parçacıkların nem içeriği .%16-24 arasında değişim göstermektedir. Zeolitin bu amaçla kullanılması için %8 nem içeriğine kadar kurutulması gerekmektedir. Homojen kurutulma gereksinimi ve mikron düzeydeki parçacık boyutu taşkın-akışkan yatak seçeneğini ekonomik bir kurutma alternatifi olarak ortaya çıkarmıştır. Yatak içerisinde kararlı taşkınlaşma gerçekleşebilmesi için akış borusunu kullanılmıştır. 
Endüstriyel ölçekte kullanılması gereken kurutucunun enerji ihtiyacının güneş enerjisinden karşılanması amaçlanmıştır. Bu kapsamda birim zeolit ağırlığı için kurutma enerji yükünün deneysel olarak belirlenmesi amacıyla laboratuvar ölçekli bir konik taşkın-akışkan yataklı kurutucu tasarlanmış, üretilmiş ve test edilmiştir. Kurutucu tasarımından önce kurutucu geometrik tasarım ve işletim koşullarının belirlenebilmesi amacıyla tam ve yarım konik taşkın yataklarda soğuk yatak deneyleri gerçekleştirilmiştir. Soğuk yatak hidrodinamik deneylerinin sonuçları ışığında, kurutucu tasarımı yapılmıştır. Bu kapsamda yatak konik açısının (30 ve 60 derece) ve akış borusu boyutunun (çap ve uzunluk) etkisinin yanı sıra taşkın ve akışkan hava hızlarının (U0 ve Uf) yatak içinde basınç düşümüne ve parçacık dolaşımına olan etkisi araştırılmıştır. 
Yarım yatak hidrodinamik çalışmaları, 30 derece konik açısının daha etkin parçacık dolaşımı sağladığını ve konik cidarına yakın kısımlarda ölü bölgeleri kaldırdığını göstermiştir. Taşkın ve akışkan hava hızlarının artışı yatak içinde basınç düşümü arttırıp ve parçacık dolaşımını iyileştirmiştir. Akışkan havanın beslenmesi minimum kararlı taşkınlaşma hava hızını düşürüp, toplam hava debisini arttırmıştır. 
Kurutma deneyleri üç farklı hava sıcaklığında (40C, 60C 90°C) ve farklı taşkın ve akışkan hava hızlarında yapılmıştır. Kurutma deneylerindeki farklı koşullar arasında olan karşılaştırma enerji gereksinimi göz önüne alınarak yapılmıştır. Kurutma enerji gereksinimi ise kurutma havasını ilgili hava debisinde oda sıcaklığından kurutma sıcaklığına çıkarmak için harcanan enerji olarak kabul edilmiştir. 
Kurutma deneyleri sonuçlarına göre taşkın hava hızının artışı akışkan havaya göre kurutma süresi üzerinde daha fazla etki göstermiştir. Bütün hava hızlarında, giriş hava sıcaklığının artışı kurutma süresini düşürmüştür. Enerji gereksinimi açısından 40°C hava girişi, U0=8 m/s ve Uf=2 m/s koşulu 2.74 kWh/100 kg değeri ile en iyi sonucu vermiştir. Bu koşul için endüstriyel uygulama göz önüne alınarak Manisa Gördes koşullarında üç farklı güneş sistemi tasarlanmış ve gerekli kapasiteler bulunmuşur. Bu sistemler sırasıyla fotovoltaik, parabolik oluk ve sıcak hava kolektörleridir. 
Tasarım sonuçlarına göre günlük 1 tonluk kurutma kapasitesi göz önüne alındığında 824 adet 353.5 m2'lik fotovoltaik sistem, 2 adet 5 metre çapında, 4 metre derinliğinde ve 40 metre uzunluğunda parabolik oluk ve 5 adet 8 m2'lik düzlemsel hava kolektörü ile kurutma enerjisinin karşılanabileceği gösterilmiştir. Bu sistemlerin tercih edilmesi durumunda doğalgaz kullanımına göre günlük yaklaşık 1.3 kg CO2 salınımının önlenmiş olacağı görülmüştür.

Abstract:
Zeolite clinoptililite which is an abundent mineral in Gördes, Manisa, Turkey needs  to be dried after mining. Zeolites are micro porous aluminosilicate minerals commonly used as commercial adsorbents. Due to its microporous structure and high ion-exchange capacity, zeolite has been used as animal feed additive since it can adsorb the toxic substances while showing no adverse effect on animal health. When mined, zeolite particles with an average size of 250 m have a moisture content in the range of 16-24%. The moisture content of the zeolite needs to be lowered to 8% before packaging. Homogenous drying requirement and micron size of the zeolite makes the spout-fluid bed technology a viable option due to its inherent high gas-solid contact. However, a draft tube is needed to operate the bed in stable spouting. 
The drying energy requirement of the industrial scale dryer is aimed to be supplied using solar energy. In this respect, in order to determine the energy requirement per unit weight of the zeolite, a laboratory scale conical spout-fluid bed with a draft tube was designed, manufactured and tested. Before the design of the dryer, in order to determine the goemetric design parameters and operating conditions, cold bed hydroynamic experiments were conducted in half and full conical beds. In the light of the results of the cold bed hyrodynamic experiments, the design of the dryer was carried out. The effects of the bed conical angle (30 and  60°), size of the draft tube (diameter, length ), spouting and fluidizing gas velocities (U0 ve Uf) on bed pressure drop and particle circulation were investigated. 
Hald bed hydrodynamic experiments show that 30 conical angle results in better particle circulation with no dead zones near the conical wall section compared to 60 conical angle. An increase in the spouting and fluidizing gas velocities increases the bed pressure drop and particle circulation. The minimum stable spouting velocity was found to decrease with increasing fluidizing velocity. 
The drying tests were performed at three different air temperatures (40C, 60C, 90°C) and varying spouting and fluidizing gas velocities. The performance comparison between different operating conditions were made based on the energy requirement values. The drying energy requirement is taken as the energy required to bring the ambient air to the desired drying temperature for a given flow rate. 
According to the results of the drying experiments, the spouting gas velocity was found to have a more pronounced effect on drying time compared to fluidizing gas velocity. For all air velocities tested, an increase in the spouting gas velocity decreased the drying time. From the energy requirement perspective, the best operating condition was U0=8 m/s and Uf=2 m/s at 40C with a value of 2.74 kWh/100 kg. For this condition, the required capacities of three different solar energy systems (fotovoltaic system , parabolic trough and solar air collectors) were determined. 
Acording to the capacity calculations, for a 1 ton/day of drying load, a photovoltic system with 814 modules and 353.5 m2 area, two parabolic trough collectors (5 m diameter, 4 m depth and 40 m length) and 5 solar air collectors with 8 m2 collector area were found to be adequate to supply the required energy. Utilizing one of these systems can reduce the CO2 emissions compared to natural gas utilization by 1.3 kg/day.