Atık kızartma yağı biyodizeli-dizel yakıt karışımına farklı nanoparçacık ( SiO2 ve TiO2) eklenmesinin bir dizel motorun termodinamik, ekonomik ve çevresel parametrelerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effects of adding different nanoparticles ( SiO2 and TiO2) to waste cooking oil biodiesel-diesel fuel blends on the thermodynamic, economic, and environmental parameters of a diesel engine
Yazar: SOROUSH GHOLAMI GHANATI
Danışman: DOÇ. DR. BATTAL DOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, farklı konsantrasyonlarda (25 ppm, 50 ppm ve 100 ppm) silisyum dioksit (SiO2) ve titanyum dioksit (TiO2) nanopartiküllerinin atık kızartma yağından elde edilen biyodizel ile dizel karışımına eklenmesinin dizel bir motorun yakıt tüketimi ve emisyonları üzerindeki etkileri sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Motor testleri herhangi bir modifikasyon yapılmadan dört farklı motor yükünde (%25, %50, %75 ve %100), 1700 dev/dk sabit motor devrinde ve 18:1 sabit sıkıştırma oranında gerçekleştirilmiştir. Bu testlerden elde edilen veriler enerji, ekserji, ekserji ekonomik ve ekserji çevresel analizler yapılarak değerlendirilmiştir. Motor deneylerinden elde edilen sonuçların karşılaştırılması amacıyla AVL Boost programı kullanılarak sayısal analiz yapılmıştır. Çalışma sonuçlarına göre, dizel ile biyodizel karışımına (B10) eklenen 100 ppm SiO2 ve TiO2 nanopartikülleri, özgül yakıt tüketimini sırasıyla %2,5 ve %1,2 oranlarına kadar azaltırken, ısıl verimde sırasıyla %2,3 ve %1,1'e varan artışlara neden olmuştur. İncelenen tüm yakıtlarda motor yükündeki artışla birlikte ısıl verim, ekserji verimi, ekserji yıkımı ve entropi üretimi artış eğilimi göstermiştir. Aynı zamanda yakıt karışımlarındaki nanopartikül oranının artmasıyla ısıl verim ve ekserji verimi artmıştır. Nanopartikül katkılı yakıt karışımlarında en yüksek sürdürülebilirlik indeksi, %100 motor yükünde B10Si100 yakıtında 1,213 olarak bulunmuştur. Nanopartikül içeren karışımlarının üretilen güç maliyeti, B10 yakıtına göre ortalama %3,1 oranında artmıştır. Nanopartikül oranı arttıkça üretilen güç maliyeti düşmüştür. B10 yakıtına 100 ppm nanopartikül eklenmesi, çevreye salınan CO2 maliyetini %1,1'e kadar azaltmıştır. Emisyon verileri incelendiğinde, nanopartikül katkılı yakıt karışımlarının CO, HC ve is emisyonlarında, B10 yakıtına kıyasla sırasıyla %66,1, %40,2 ve %55,4'e varan azalmalar gözlenirken, NOx emisyonlarında %36,1'e kadar artışlar tespit edilmiştir. Sayısal ve deneysel sonuçların karşılaştırılması neticesinde, elde edilen veriler arasında %1 ile %5 arasında değişen bir farklılık gözlemlenmiştir.

Abstract:
In the scope of this thesis, the effects of adding silicon dioxide (SiO2) and titanium dioxide (TiO2) nanoparticles at different concentrations (25 ppm, 50 ppm, and 100 ppm) to a blend of waste frying oil-derived biodiesel and diesel fuel on the fuel consumption and emissions of a diesel engine were experimentally and numerically investigated. The engine tests were conducted without any engine modifications across a quartet of engine load conditions (25%, 50%, 75%, and 100%), maintaining a constant engine velocity of 1700 rpm and a compression ratio steadfast at 18:1. The gathered tests data underwent a rigorous assessment using energy, exergy, exergoeconomic, and exergoenvironmental analyses, complemented by a numerical analysis via AVL Boost software for comparative purposes. The results showed that the addition of 100 ppm SiO2 and TiO2 nanoparticles to the diesel-biodiesel blend (B10) reduced specific fuel consumption by up to 2.5% and 1.2%, respectively, while leading to increases in thermal efficiency of up to 2.3% and 1.1%, respectively. Across all fuel blends, an increase in engine load correlated with higher thermal efficiency, exergy efficiency, exergy destruction, and entropy production. Moreover, increased nanoparticle content in the fuel blends resulted in higher thermal and exergy efficiency. The highest sustainability index was observed in the B10Si100 fuel blend at 100% engine load, with a value of 1.213. Although the power generation cost of nanoparticle-containing blends increased by an average of 3.1% compared to B10 fuel, it decreased with higher nanoparticle content. Additionally, adding 100 ppm nanoparticles to B10 fuel reduced the environmental cost of CO2 emissions by up to 1.1%. Examination of emission data revealed significant reductions in CO, HC, and particulate matter emissions in nanoparticle-containing fuel blends compared to B10 fuel, while NOx emissions increased by up to 36.1%. A comparative analysis between the experimental and computational data revealed a variance ranging from 1% to 5%.