LEE- Makina Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19371

Gözat

Yazar "Böke, Yakup Erhan" ile LEE- Makina Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Biyokütle-kömür karısımlarının yanmasının incelenmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-05-12) Canal, Cansu Deniz ; Böke, Yakup Erhan ; Benim, Ali Cemal ; 503132025 ; Makina Mühendisliği
    Fosil yakıtlardan enerji üretiminin çevresel etkileri konusundaki endişelerin artması, daha sürdürülebilir enerji üretme araçlarının geliştirilmesine ve kullanılmasına yol açmıştır. Bu gelişmeye, yenilenebilir ve sürdürülebilir enerjinin ulusal ve uluslararası enerji arzındaki payının artırılması da katkı sağlamıştır. Tarihsel olarak, yenilenebilir enerji kaynakları nispeten yüksek maliyetleri ve yüksek teknik riskleri nedeniyle fosil enerji ile rekabet etmekte zorlanmışlardır. Biyokütlenin geleneksel kömür yakıtlı kazanlarda kömür ile birlikte yakılması, biyokütlenin enerji ve bazı durumlarda ısı üretimi için kullanılması oldukça ilgi çekici bir seçenek haline gelmiştir. Birlikte yanma, mevcut fosil yakıta dayalı güç sistemleriyle ilişkili kapsamlı altyapıdan yararlanır ve yalnızca nispeten mütevazı bir ek sermaye yatırımı gerektirir. Çoğu ülkede, biyokütlenin birlikte yakılması önemli ölçüde karbondioksit salınımını azaltmak için mevcut olan en ekonomik teknolojilerden biridir. Dünya çapında biyokütle birlikte yakma işleminin büyük çoğunluğu, pülverize kömür gücü yüksek kazanlarda gerçekleştirmektedir. Pülverize kömür yakıtlı elektrik santralleriyle ilgili temel birlikte yakma seçenekleri vardır. Biyokütlenin kömür yakma sistemine veya doğrudan fırına beslenmesini içeren birlikte yakma, biyokütlenin gazlaştırılmasını ve ürün yakıt gazının fırında yanmasını içeren dolaylı birlikte yakma ve biyokütlenin ayrı bir yakıcı ve kazanda yakılmasını ve kömürlü termik santral buhar ve elektrik üretim sistemlerinde üretilen buharın kullanılmasını içeren paralel yakma seçenekleri mevcuttur.Biyokütle ve kömürün birlikte yakılmasının ucuz ve düşük riskli sürdürülebilir enerji seçeneği olmasına rağmen, birçok teknik mesele de vardır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, ekonomik olarak birlikte yanmadan doğacak problemlerin anlaşılması için ekonomik verimli bir araçtır. Varolan kömür yanma modelleri, biyokütle ile birlikte yakılmasının etkisini içerecek şekilde modifiye edilmektedir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yaklaşımları çerçevesinde, kömür ve biyokütle karışımı yanma hesaplamaları, gaz ve parçacık fazları için zaman ortalamalı korunum denklemlerinin sayısal çözümü ile elde edilir. Parçacıklar lagrangian çerçevesinde işlenirken, gaz fazı Euler alanında çözülür. Gaz fazı genellikle Reynolds Ortalamalı Navier Stokes denklemleri çözülerek modellenir. Katı yakıt parçacıklarının hareketi, ayrık faz modeli tarafından izlenir. Birlikte yanmadaki model, türbülanslı akışkanlar mekaniği, gazlı yanma, parçacık dağılımı, parçacık kurutma, buharlaştırma, heterojen kömür reaksiyonu, kirletici oluşumu ve ışınım için alt modellerden oluşmaktadır. Bu modeller yanma koşullarına göre çalışılmıştır. Oksi yakıt yanması karbondioksit ve azot gazındaki fiziksel farklılıklar sebebiyle hava ortamında yanmasından oldukça farklıdır. Aynı zamanda ışınımda farklı olmaktadır. CO2 ve H2O yüksek kısmi basınçlarıyla, oksi yakıt yanması altındaki gaz emisyonu, hava ortamında yanması sırasındaki baca gazlarından daha güçlüdür. Bu tez kapsamında, küçük ölçekli ve sanayi ölçekli iki farklı beslemeli sistem kullanarak kömür, biyokütle ve bu iki yakıtın birlikte yakılmasının araştırılması yapılmıştır. Küçük ölçekli sistem, RWTH Aachen Üniversitesinde ısı ve kütle transferi kürsüsüne ait deneysel düzenektir. 40kW, 60 kW ve 100 kW gücünde 3 farklı yakıcı kullanılmaktadır. Kömür olarak Ren linyitleri kullanılmaktadır. Biyokütle olarak ise kurutulmuş odunsu biyokütle kullanılmaktadır. Deneyler hem hava ortamında hem oksi ortamda gerçekleşmektedir. Sanayi ölçekli sistem ise, Tunçbilek termik santralinin 5. ünitesidir. Bu ünitenin kazanı içine kömür yakıtı ile birlikte biyokütle yakıtının da beslenmesinin sayısal modellemesi çalışılmıştır.Kömür olarak Tunçbilek linyiti ve biyokütle olarak odunsu yapıda olan Kızılçam kullanılmıştır. Bu sistem 150 MW gücündedir. Sayısal hesaplamalar için, ticari bir yazılım olan Fluent 18 programı kullanılmıştır. Bu tez kapsamında, hem Euler-Lagrangian hemde Euler-Euler modellemesi çalışılmıştır. Her bir farklı güçteki yakıcı için modelleme çalışması gerçekleştirilmiştir. 60 kW yakıcı kullanılarak hava ortamında kömür yanması, 40 kW yakıcı kapsamında biyokütle yakıtının oksi ortamda yanması, 100 kW yakıcı kullanarak ise hem kömür yanması hemde karışımlarının yanması hesaplanmıştır. EL modelinde parçacık takibi Lagrangian çerçevesinde, gaz fazı ise Euler çerçevesinde gerçekleşmektedir. 40 kW gücündeki yakıcı için hem EE hem EL çerçevesinde yanma incelenmiştir. Diğer yakıcılarda ise parçacık takibinin yapılabilmesi için EL çerçevesinde hesaplamalar yapılmıştır. Laboratuvar ölçekli küçük yanma sisteminde ve sanayi ölçekli sistemde türbülans modellemesi için 5 farklı türbülans modeli kullanılarak hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Türbülans modelleri, Standard k-epsilon, Relizable k-epsilon, RNG k-epsilon, SST k-w ve Reynolds Stres modeli olarak seçilmiştir. RANS çerçevesinde modelleme gerçekleştirilmiştir. Parçacık fazında ayrık faz modeli kullanılmıştır. Sisteme kömür beslemesi 30 iterasyonda bir yapılmaktadır. Kömür yanmasında bir enjeksiyon kullanılırken, karışımlarının yanmasında iki enjeksiyon kullanılmıştır. Parçacık dağılımı için Rosin Rammler dağılımı kullanılmıştır. Ayrıca parçacık büyüklüğüne bağlı olarak 60 kW gücündeki yakıcı için Logaritmik Rosin Rammler dağılımı da tercih edilmiştir. 100 kW gücündeki yakıcı kullanılarak deneysel verilerle doğrulama hesaplamaları yapılmıştır. Doğrulama çalışması kapsamında, eksenel ve teğetsel hızlar, sıcaklık dağılımı, emisyon miktarları dikkate alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Bununla birlikte döngü sayısının alev oluşumuna etkisi hesaplanmıştır. Sanayi ölçekli sistemde de, duvardan 45 cm içeride alınan sıcaklık verileri ile yapılan hesaplamanın doğrulama çalışması gerçekleştirildi. Işınım ile olan ısı geçişi, Fluent programında P1 modeli kullanılarak hesaplanmıştır. Hava ve oksi ortamda yanma analizi yapılan tez çalışmasında, hava ortamında yanma için absorpsiyon katsayısı olarak WSGGM domain modeli kullanılırken, oksi ortamda yanma için kullanıcı tanımlı fonksiyon (UDF) kullanılmıştır. Yanma modeli olarak Finite rate/Eddy dissipation modeli kullanılmıştır. Piroliz oranlarının hesaplanmasında hem tek oran modeli hemde iki rakip oran modeli kullanılmıştır. Parçacık yanmasında, kinetik difüzyon oranı modeli kullanılmıştır. Tez çalışması kapsamında, detaylı yanma hesaplamaları yapılmış olup farklı parametrelerin yanmaya olan etkileri belirtilmiştir. Türbülans modellerinin kıyaslanmasıyla yapılan hesaplamalar sonucunda, tüm yakıcı modellerinde RSM modelinin diğer türbülans modellerine göre daha yakın sonuç verdiği gösterilmiştir. RSM sonucuna en yakın sonuç veren türbülans modeli Standard k-epsilon modeli olmuştur. RSM modeli ile hız değerlerinin tahminindeki hata payı %4 olarak hesaplanmıştır. Kömür yanması yapılarak gerçekleştirilen hesaplamalarda, parçacık boyut sınıfının ve parçacığın türbülanslı dağılımının sıcaklığa ve hesaplama maliyetlerine etkisi olduğu belirtilmiştir. Yapılan çalışma da, parçacık boyutu için 12 adet sınıfının olması ve parçacık türbülans dağılım parametresinin ise 5 olarak tercih edilmesi, hesaplama maliyeti ve sonuçlar açısından en anlamlı veriler olduğu hesaplanmıştır. 40 kW gücündeki kazan kullanılarak ise EE ve EL modelleri arasındaki fark hesaplanmıştır. Aynı zamanda biyokütle alevi ile kömür alevinin kıyaslanması gerçekleştirilmiş olup, aralarındaki farkın piroliz oranlarına bağlı olduğu belirtilmiştir. 100 kW gücündeki yakıcı kullanılarak kömür ve biyokütle karışımlarının yanması modellenmiştir. Bu modelde, kömür yanması ve biyokütle yanmasında ulaşılan sonuçlar ışığında hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Birlikte yanma oksi ortamda ve hava ortamında yanma varsayılarak hesaplanmıştır. Birlikte yanma oranları, %25 Biyokütle/%75 Kömür, %50 Biyokütle/%50 Kömür, %75 Biyokütle/%25 Kömür olarak belirlenmiştir. Birlikte yanma olduğunda, alevin davranışı gözlemlenmiştir ve kazan içinde oluşacak sıcaklık dağılımları hesaplanmıştır. Biyokütle eklendikçe alevin ötelendiği, kazan içindeki en yüksek sıcaklığın düştüğü belirtilmiş olup, ısıl değerlerinin farkından kaynaklandığı sonucuna varılmıştır. Çalışma yapılan kazan için, biyokütlenin yüksek oranlarda eklenmesinin bir sorun oluşturmayacağı belirtilmiştir. Yakıtların içeriklerinin benzer olması bir fayda sağlamaktadır. Aynı zamanda biyokütle eklendikçe, SO2 mol oranı düşmektedir. Biyokütle yakıtının içeriğinde bulunan kükürt, kömürden bulunandan yaklaşık 10 kat daha azdır. Sonuç olarak, %25 biyokütle eklenmesi durumunda, %75 biyokütle eklenmesi durumuna göre kıyasla %35 daha fazla SO2 oluşmaktadır. Birlikte yanma modellenirken seçilen döngü sayısı 1,2'dir. bu döngü sayısının değişmesi durumunda alevin davranışı hesaplanmış olup, döngü sayısına göre emisyon değerleri de belirtilmiştir. Döngü sayısı 0,4'den 1,4'e kadar 0,2 aralıklarla seçilmiş olup toplamda 6 farklı döngü sayısı için hesaplama gerçekleştirilmiştir. Bu hesaplamalar sonucunda, döngü sayısı arttıkça, kazan çıkışında CO2 mol oranı ve SO2 mol oranı artmaktadır. Döngü sayısı 1,2 değerinden sonra, bu artış sabit kalmaktadır. Döngü sayısının artması, karışımın etkisinin artması ve yanmanın etkili gerçekleştiğini göstermektedir. En küçük döngü sayısına kıyasla, en yüksek döngü sayısı kullanıldığında, %32 oranında daha fazla SO2 çıkışı, %6,4 oranında daha fazla CO2 çıkışı olmaktadır. Döngü sayısı arttıkça kazanda oluşan sıcaklıklarda artmaktadır. Aynı zamanda daha geniş radyal bir mesafe de alev yayılmaktadır. Döngü sayısı arttıkça daha kararlı alev yapıları çıkmaktadır. Çalışma kapsamında, oksijen derişimlerinde birlikte yanma oranlarının incelenmesi de yapılmıştır. %23, %25, %27, %30 ve %33 olmak üzere, 5 farklı oksijen seviyesi belirlenmiştir. Okijen seviyesi arttıkça diğer bir söyleyiş ile CO2 seviyesi azaldıkça kazan içerisindeki pik sıcaklık değeri artmaktadır. Çıkıştaki CO2 seviyesi azalmaktadır. Hava ortamında yanma da hesaplanmıştır. Bu hesaplamalardaki farklılık, CO2 ve N2'nin termodinamik davranış özelliklerindeki farklılıktan kaynaklanmaktadır. Oksi ve hava ortamında yanma karşılaştırıldığında, hava ile yanma sonucunda oluşan CO2 mol oranı, oksi ile yanma sonucuna göre 8 kat daha azdır. Sanayi ölçekli yanma sisteminde ise, biyokütle alt grup yakıcılardan sisteme beslenmektedir. Küçük ölçekli sistem de hesaplamalar sonucunda elde edilen bilgiler ışığında, bu modellemeler gerçekleştirilmiştir. Birlikte yanma oranı olarak %42 olarak belirlenmiştir. Yapılan bu analizlerle neticesinde, sistemde değişiklik yapmadan brilikte yanma gerçekleştirilebilmektedir. Yapılan analizlerden CO2 mol oranının biyokütle kullanılarak %10 daha düşük olduğu hesaplanmıştır.
  • Öge
    Jet motorlarında kullanılan yakıt enjektörlerinin çok fazlı akış karakteristiklerinin incelenmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-10-26) Bal, Mustafa ; Böke, Yakup Erhan ; Ertunç, Özgür ; 503152022 ; Makina Mühendisliği
    Bu tez çalışmasında jet motorlarında kullanılan basınçlı girdap tipi enjektörlerin çok fazlı iç akış ve sprey oluşumundan önceki dış akış karakteristikleri sayısal modelleme ve analiz yöntemi ile incelenmiştir. İlk aşamada literatürde yer alan sayısal analiz ve modelleme çalışmaları incelenmiştir. Literatür taraması sonucunda Euler fazında gerçekleştirilen iki ve üç boyutlu sayısal modelleme çalışmaları listelenmiştir. Özellikle enjektör iç bölgesi ve sıvı atomizasyonu gerçekleşene kadar olan akış alanlarının kapsamlı bir şekilde çalışılmadığı görülmüştür. Ayrıca, sayısal modelleme metotlarının farklı geometriler ve türbülans modelleri özelinde deneysel veriler de kullanılarak derinlemesine incelenmediği tespit edilmiştir. Bu çalışmada iki fazda anlatılmakta olan iki ve üç boyutlu HAD modelleme metotları deneysel veriler ve birbirleri arasında karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Analizler için ticari bir kod olan Ansys Fluent kullanılmıştır. 2. bölümde iki boyutlu eksenel simetrik HAD analiz metodu ile altı farklı geometri incelenmiştir. Bu kısımda iki denklemli türbülans modelleri, Reynolds gerilme modelleri, laminer ve hibrit RANS-LES modelleme metotları eksenel simetrik yapıda incelenmiştir. Türbülans modellerinin sprey oluşumu öncesi enjektör akış karakteristiklerinin doğru tahmininde ne kadar etkin olduğunu ölçebilmek için modelleme sonucu elde edilen CD ve toplam sprey açısı değerleri deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, iki denklemli türbülans modelleri ile geometri değiştikçe tahminlerin kayda değer seviyede kötüleştiği tespit edilmiştir. Bunun büyük ölçüde yüksek hesaplanan türbülans viskozitesi ile teğetsel hız profilinin doğru hesaplanamamasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Diğer taraftan, RSM-SSG modeli ile incelenen ilk 5 geometride beklenen akış davranışı elde edilmişken 6. geometride akış fiziği deneysel sonuçlarla uyumlu bir şekilde elde edilememiştir. RSM-BSL ve IDDES modelleri ile RSM-SSG modeline kıyasla daha iyi sonuçlar elde edilmiş olup tüm geometriler için akış fiziğine uygun sonuçlar yansıtmışlardır. Ancak sprey açısı değerleri deneylere kıyasla daha yüksek tahmin edilmiştir. Hesaplanan CD değerlerine bakıldığında ise tüm geometriler için ortalama olarak en düşük hata payının IDDES modeli ile elde edildiği tespit edilmiştir. Dolayısıyla basınçlı girdap tipi enjektörler için gerçekleştirilebilecek parametrik tasarım çalışmaları ve/veya enjektör geometrisinin CD ve sprey açısı tayininde incelenen modeller dahilinde türbülans modeli olarak IDDES'in kullanımının daha uygun olduğuna kanaat getirilmiştir. 3. bölümde IDDES türbülans modeli kullanılarak iki ve üç boyutlu modelleme farkları ve etkileri incelenmiştir. Metot karşılaştırmasını etkin yapabilmek için tasarlanıp üretilen bir şeffaf enjektörün su kullanılarak elde edilen farklı debilerdeki ölçüm sonuçları kullanılmıştır. Doğrulama parametreleri olarak CD, toplam sprey açısı ve film kalınlığı kullanılmıştır. İki boyutlu modelleme dahilinde yapılan analizlerde tüm debiler için akış alanının deneylerde hızlı kamera ile alınan resimler ile örtüştüğü görülmüştür. Ayrıca, enjektör girdap odasında oluşan teğetsel hız davranışının beklenilen Rankine girdabı yapısına uygun olduğu tespit edilmiştir. Bununla beraber, CD değerlerinde deneysel sonuçlardan önemli seviyede sapmalar tespit edilmiştir. Sprey açısı ve film kalınlığı değerleri de çoğunlukla deneysel verilerden farklı hesaplanmıştır. Diğer taraftan, üç boyutlu modelleme ile tüm debilerde CD, sprey açısı ve film kalınlığı tahminleri deneysel değerlere yakın elde edilmiştir. Özellikle 80 g/s ve 98 g/s debi değerlerinde hesaplanan CD ve film kalınlığı parametreleri deneysel ölçüm hata payları dahilindedir. 4. bölümde iki ve üç boyutlu modellemenin doğrulama parametrelerinin tahminine yönelik etkileri incelenmiştir. İki boyutlu modellemenin üç boyutlu modellemeden temel farkı giriş kanallarının dahil edilmesi olduğundan iki metot için girdap odası girişindeki zaman ortalamalı radyal ve teğetsel hız değerleri karşılaştırılmıştır. Üç boyutlu modellemede giriş bölgesinin dahil edilmesiyle kanallarda oluşan akış ayrılması etkisi ile etkin akış alanının daralıp akışın hızlandığı tespit edilmiştir. Bu etki iki boyutlu modellemeye yansıtılıp analizler tekrarlandığında CD, sprey açısı ve film kalınlığı değerlerinde önemli seviyede iyileşmeler görülmüştür. Ancak yine de debinin artışı ile beraber film kalınlığındaki azalma eğilimi güncellenen iki boyutlu modelleme ile doğru tahmin edilememiştir. İki ve üç boyutlu modellemelerin karşılaştırılmasında bir diğer parametre olarak hesaplama maliyeti değerlendirilmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda hesaplama maliyeti üç boyutlu modelleme ile iki boyutlu modellemeye kıyasla yaklaşık 1000 kat daha yüksek hesaplanmıştır. Bu durum yüksek doğruluk ihtiyacının karşılanması için bilgisayar kümelerinin kullanılması gerekliliğini ortaya koymuştur. Mevcut kişisel iş istasyonları ile dahi tek bir vakanın üç boyutlu analiz çözüm süresinin haftaları bulabileceği belirtilmiştir. Diğer taraftan, kaynaklar kısıtlı ise akış alanının genel görünümü ve performans parametrelerinin kabaca tahmin edilmesi için iki boyutlu modellemenin kullanılabileceği belirtilmiştir. Ek olarak, giriş kanallarındaki akış ayrılması etkisi biliniyorsa sınır şartlarında yapılacak düzeltme ile çok daha doğru sonuçlar alınabileceği gösterilmiştir. Sonuç olarak, iki fazda gerçekleştirilen enjektör iç ve dış akış HAD modellemesi metotları literatür geometrileri ve yeni tasarlanıp üretilen şeffaf bir enjektör dahilinde gerçekleştirilmiştir. CD, sprey açısı ve film kalınlığı gibi performans parametrelerinin tahmin edilmesinde türbülans modellemesi, iki ve üç boyutlu modelleme etkileri deneysel verilerle karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Hatalı tahminlerin kök nedenleri ve iyileştirme için yapılabilecek model güncellemeleri aktarılmıştır. Ayrıca, bu tez çalışmasında uygulanan modelleme metodu ile özellikle üç boyutlu analizler ile yüksek doğruluk elde edilebileceği gösterilmiştir.