Simulation and Experimental Investigation of Biogas Energy Supported Milk Cooling System Performance

Abstract

Alternative energy sources have become a preferred energy production source with both clean energy production and wide usage area. In addition, the fact that alternative energy consumption is renewable gives confidence in the continuity of energy. Dairy farms have a great potential to use energy based on biomass from alternative energy sources. It is possible to obtain biogas energy by evaluating animal wastes in dairy farms and to use cooling, which includes the most important expense of the farm. In this example, numerical calculations and usage studies of a vapor compression milk cooling system were carried out using biogas energy obtained from animal wastes of a dairy farm. It maintains the model in hand, which uses the Java programming language for numerical calculations. With the measurements obtained from numerical calculations, a fermentor, consumption, storage and automation test system with a capacity of 2.5 m3 was established. Carbon dioxide, hydrogen sulfide, etc. in the biogas obtained from the system. The filtering processes of the gases were carried out and stored in a 10 m3 membrane. An internal combustion gas engine powered by stored biogas drove a 300-liter vapor-compression milk tank compressor with cooling. The biogas fueled milk cooling system provided 54.37% energy savings compared to the conventional milk cooling system. According to the experimental situation, TS EN 13732 limitation Turkish Standard and EN 13732 standard, raw feeding at 32 oC in each milking has the ability to cool down to +4 oC in a maximum of 2.5 hours. Colony count was made on the sample taken from the milk cooled to +4 oC and 2.1 x 104 colonies/ml log104.32 were determined.

Keywords

• Biogas
• Refrigeration
• Gas engine
• Farm

Biyogaz Enerjisi Destekli Süt Soğutma Sistemi Performansının Simülasyon ve Deneysel Olarak İncelenmesi

Abstract

Alternatif enerji kaynakları hem temiz enerji üretimi hem de geniş kullanım alanına sahip olmasıyla, tercih edilir bir enerji üretim kaynağı haline gelmiştir. Ayrıca alternatif enerji kaynaklarının yenilebilir olması da enerji devamlılığı konusunda güven vermektedir. Süt üretim çiftlikleri, alternatif enerji kaynaklarından biokütleye dayalı enerji üretiminde büyük bir potansiyel taşımaktadır. Süt üretim çiftliklerinde hayvan atıklarının değerlendirilerek biyogaz enerji elde edilmesi ve bu enerjinin çiftliğin en önemli giderini oluşturan soğutma sistemlerinde kullanılması mümkündür. Bu çalışmada, bir süt üretim çiftliğinin hayvan atıklardan elde edilen biyogaz enerjisinin kullanımıyla, buhar sıkıştırmalı süt soğutma sisteminin sayısal hesaplamaları ve deneysel çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sayısal hesaplamalarda Java programlama dili kullanılarak, matematiksel model oluşturulmuştur. Sayısal hesaplamalardan elde edilen verilerle, 2.5 m3 kapasiteye sahip fermantör, filtreleme, depolama ve otomasyon deney sistemi kurulmuştur. Sistemden elde edilen biyogazın içerisinde bulunan karbondioksit, hidrojen sülfür vd. gazlarının filtreleme işlemleri gerçekleştirilmiş ve 10 m3’lük membranda depolanmıştır. Depolanan biyogaz ile çalışan içten yanmalı gaz motoru, 300 litre soğutma kapasitesine sahip buhar sıkıştırmalı süt soğutma tankı kompresörünü tahrik etmiştir. Biyogaz yakıtlı süt soğutma sistemi, konvansiyonel süt soğutma sistemine göre %54.37 enerji tasarruf sağlamıştır. Deneysel çalışmada, TS EN 13732 numaralı Türk Standardı ve EN 13732 standardına göre her sağımdaki 32 oC’ deki çiğ sütü, en fazla 2.5 saat içerisinde +4 oC’ ye soğutabilme şartı sağlanmıştır. +4 oC’ ye soğutulan sütten alınan numuneye, koloni sayımı yapılmış ve 2.1 x 104 koloni/ml (log104.32) tespit edilmiştir.

Keywords

• Biyogaz
• Soğutma
• Gaz motoru
• Çiftlik

References

1. Adekunle, K. F. & Okolie, J. A. (2015). A review of biochemical process of anaerobic digestion, Advances in Bioscience and Biotechnology, 6(3), 205. http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
2. Atalay, H. (2011). Soğutucu Akışkan ve Çevrimlerin Termodinamik ve Termofiziksel Modellenmesi (Doctoral dissertation, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir).
3. Bhurat, S. S., Pasupuleti, S. R., Kunwer, R., Gugulothu, S. K., & Joshi, A. (2022). Technical challenges and opportunities for milk chilling unit based on vapor absorption refrigeration systems, Materials Today: Proceedings. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.09.155
4. Breen, M., Murphy, M. D., & Upton, J. (2015). Development and validation of photovoltaic and wind turbine models to assess the impacts of renewable generation on dairy farm electricity consumption Paper presented at the 2015 ASABE Annual International Meeting. https://doi.org/10.13031/aim.20152189379
5. Çengel, Y. A. ve Boles, M. A. (2013). Kapalı sistemlerin enerji analizi. A. Pınarbaşı, (Ed.), Termodinamik mühendislik yaklaşımıyla (s. 150-180) içinde. Yer:Ankara PalmeYayıncılık.
6. Çoban, M. T. (2012). Biyogaz yakıtlı motor ile tahrik edilen süt soğutma sisteminin teorik modellenmesi. In: 1. Ulusal İklimlendirme Soğutma Eğitimi Sempozyumu, (s. 601-609). Balıkesir, Türkiye. Erişim adresi: http://ikses12.balikesir.edu.tr/
7. De Jesús Vargas‐Soplín, A., Prochnow, A., Herrmann, C., Tscheuschner, B., & Kreidenweis, U. (2022). The potential for biogas production from autumn tree leaves to supply energy and reduce greenhouse gas emissions–A case study from the city of Berlin, Resources, Conservation and Recycling, 187, 106598. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106598
8. Devi, M. K., Manikandan, S., Oviyapriya, M., Selvaraj, M., Assiri, M. A., Vickram, S., ... & Awasthi, M. K. (2022). Recent Advances in Biogas Production Using Agro-Industrial Waste: A Comprehensive Review Outlook of Techno-Economic Analysis, Bioresource Technology, 127871. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127871

9. Ekinci, K., Kulcu, R., Kaya, D., Yaldiz, O., Ertekin, C., & Öztürk, H.H., (2010). The prospective of potential biogas plants that can utilize animal manure in Turkey Energy Exploration & Exploitation, Vol. 28, no. 3, pp. 187-206. https://doi.org/10.1260/0144-5987.28.3.187
10. Kasera, S., Nayak, R., & Bhaduri, S. C. (2021). Performance analysis of solar milk refrigerator using energy efficient R290, Case Studies in Thermal Engineering, 24, 100855. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.100855
11. Kaya, D., ve Öztürk, H. H. (2012). Biyogaz teknolojisi: üretim-kullanım-projeleme (s. 20-50) içinde. İstanbul: Umuttepe Yayıncılık.
12. Khanal, S. K. (2011). Anaerobic biotechnology for bioenergy production: principles and applications: John Wiley & Sons.
13. Romaniuk, W., Mazur, K., Borek, K., Borusiewicz, A., Wardal, W. J., Tabor, S., & Kuboń, M. (2021). Biomass energy technologies from innovative dairy farming systems. Processes, 9(2), 335. https://doi.org/10.3390/pr9020335
14. Sur, A., Sah, R. P., and Pandya, S. (2020). Milk storage system for remote areas using solar thermal energy and adsorption cooling, Materials Today: Proceedings, 28, 1764-1770. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.170
15. Thiangchanta, S., Khiewwijit, R., & Mona, Y. (2022). Environmental impact of the biogas production from dairy cows, Energy Reports, 8, 290-295. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.10.204
16. Torres-Toledo, V., Meissner, K., Coronas, A., & Müller, J. (2015). Performance characterisation of a small milk cooling system with ice storage for PV applications, international journal of refrigeration, 60, 81-91. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.06.025
17. Tufaner, F. ve Avşar, Y. (2016). Effects of co-substrate on biogas production from cattle manure: a review, International journal of environmental science and technology, 13(9), 2303-2312.https://doi.org/10.1007/s13762-016-1069-1
18. Vilar, M., Rodriguez-Otero, J., Sanjuán, M., Diéguez, F., Varela, M., & Yus, E. (2012). Implementation of HACCP to control the influence of milking equipment and cooling tank on the milk quality, Trends in Food Science & Technology, 23(1), 4-12. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2011.08.002