Kenevir (Cannabis sativa L.) yağı biyodizeli-dizel yakıt karışımına farklı ağır alkol ve atık eps ilavelerinin bir dizel motorun karakteristikleri üzerine etkileri ile termodinamik, ekonomik ve çevresel analizleri
Effects of the additions of different higher alcohol and waste eps into hemp (Cannabis sativa L.) oil biodiesel-diesel fuel blend on the characteristics of a diesel engine and thermodynamic, economic and environmental analyses
Yazar: ZEKİ YILBAŞI
Danışman: DOÇ. DR. MEVLÜT ARSLAN ; DOÇ. DR. MURAT KADİR YEŞİLYURT
Yozgat Bozok Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Biyodizel = Biodiesel ; Dizel motorlar = Diesel engines ; Kenevir = Hemp ; Motor yakıtları = Motor fuels ; Pistonlu motorlar = Reciprocating engines ; Taguchi yöntemi = Taguchi method ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Bu çalışmada, endüstriyel kenevir (Cannabis sativa L.) tohumu yağından transesterifikasyon reaksiyonu ile biyodizel üretiminin proses parametrelerinin (katalizör miktarı, alkol-yağ molar oranı, reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon süresi) optimizasyonu Taguchi metodu ile yapılmıştır. Optimum reaksiyon koşulları olan; %0,9 katalizör, 12:1 metanolün yağa molar oranı, 45 °C reaksiyon sıcaklığı ve 120 dakika reaksiyon süresinde optimum biyodizel verimi %96,87 olarak bulunmuştur. Ardından, aseton içinde eritilen atık EPS (5 g, 10 g ve 15 g) ile biyodizel (B20) ve dizel yakıtları (D100) harmanlanarak B20EPS5, B20EPS10 ve B20EPS15 yakıtları teşkil edilmiştir. Dizel yakıtı, B20 ve yüksek karbonlu (ağır) alkoller (pentanol, hekzanol ve heptanol) harmanlanarak B20Pe10, B20Pe20, B20Pe30, B20Hk10, B20Hk20, B20Hk30, B20Hp10, B20Hp20 ve B20Hp30 yakıtları oluşturulmuştur. Oluşturulan 13 yakıt bir dizel motorda 1500 d/d sabit hızda, %25, %50, %75 ve %100 motor yüklerinde test edilerek çıkarılan veriler ile motor performansı, egzoz emisyonları, enerji, ekserji, sürdürülebilirlik, çevresel, ekonomik, termoekonomik ve yanma analizleri yapılarak elde edilen sonuçlar D100 yakıtı ile karşılaştırılmıştır. En düşük özgül yakıt ve enerji tüketimi sonuçları D100'ün ardından sırasıyla B20, alkollü yakıtlardan B20Hk10 ve atık EPS'li yakıtlardan B20EPS5 için hesaplanmıştır. D100 ile karşılaştırıldığında B20 ve diğer tüm yakıtların CO, HC, NOX ve duman emisyonları daha düşük CO2 ve O2 emisyonları için daha yüksek değerler ölçülmüştür. D100'ün ardından en yüksek enerji ve ekserji verimliliği B20 ve B20Hk10 yakıtları için tam yükte elde edilmiştir. Tüm yakıtların dört farklı yükteki enerji ve ekserji verimleri sırasıyla %11,30-28,85 ve %10,56-27,06 arasında değişen değerlerde bulunmuştur. Ayrıca, tüm test yakıtları için motor yükündeki artışla enerji kayıp hızı, enerji hızı, ekserji hızı, ekserji kayıp hızı, ekserji yıkım hızı ve termoekonomik sonuçlarının arttığı fark edilmiştir.

Abstract:
In this study, the optimization of the process parameters (catalyst amount, alcohol-oil molar ratio, reaction temperature, and reaction time) of biodiesel production by transesterification reaction from industrial hemp (Cannabis sativa L.) seed oil was performed by the Taguchi method. The optimum biodiesel yield was found to be 96.87% at catalyst amount of 0.9%, molar ratio of methanol to oil of 12:1, reaction temperature of 45 °C, and reaction time of 120 minutes, which are the optimum reaction conditions. Then, B20EPS5, B20EPS10, and B20EPS15 fuels were formed by blending waste EPS (5 g, 10 g, and 15 g) dissolved in acetone with biodiesel (B20) and diesel fuels (D100). B20Pe10, B20Pe20, B20Pe30, B20Hk10, B20Hk20, B20Hk30, B20Hp10, B20Hp20, and B20Hp30 fuels were formed by blending diesel fuel, B20 and high carbon (higher) alcohols (pentanol, hexanol, and heptanol). 13 fuels formed were tested in a diesel engine at a constant speed of 1500 rpm and engine loads of 25%, 50%, 75% and 100%, the engine performance, exhaust emissions, energy, exergy, sustainability, environmental, economic, thermoeconomic and combustion analyses were performed with the obtained data, and the results were compared with D100 fuel. The lowest specific fuel and energy consumption results were calculated for B20, B20Hk10 from alcohol fuels, and B20EPS5 from waste EPS fuels, respectively, after D100. Compared to D100, CO, HC, NOX, and smoke emissions of B20 and all other fuels were measured to be lower, and higher values were measured for CO2 and O2 emissions. After D100, the highest energy and exergy efficiencies were found for B20 and B20Hk10 fuels at full load. The energy and exergy efficiencies of all fuels at four different loads were found to vary between 11.30-28.85% and 10.56-27.06%, respectively. Furthermore, it was found out that the energy loss rate, energy rate, exergy rate, exergy loss rate, exergy destruction rate, and thermoeconomic results increased with the increase in engine load for all test fuels.