Sentetik gaz yanma karakteristiğinin incelenmesi

Abstract

Teknolojik ilerleme için ihtiyaç duyulan enerji halen çoğunlukla termodinamiğin en önemli konularından biri olan hidrokarbon yanmasından elde edilmektedir. Hidrokarbon yanmasında alevin kararlılığı hem brülör geometrisinin tasarımını hem de yanmanın enerji verimliliğini etkileyen bir parametredir. Kararlı bir alev oluşturmak için literatürde kullanılan çeşitli yöntemler vardır. Bu yöntemlerden biri olan girdaplı akış, brülörlerde yanma performansını artıran ve birçok mühendislik uygulamasında kullanılan bir tekniktir. Bu çalışmada girdaplı akışa sahip bir yakıcı tasarımı yapılması amaçlanmıştır. Bu amaçla yürütülen tez çalışması, doğrulama çalışması ve yakıcı tasarımı şeklinde iki temel adım ve bunların alt adımları olarak sunulmuştur. Doğrulama adımında, Sydney girdaplı alevlerinden SM1 alevi sayısal olarak analiz edilmiştir. İlk aşamada, iki denklemli Re-Normalisation Group (RNG) k-ε ve Shear Stress Transport (SST) k-ω türbülans modelleri ile akış ve GRI 3.0 reaksiyon mekanizması ile CH4 yanmasının kimyasal reaksiyonları modellenmiş ve literatürdeki elde edilen deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Doğrulama çalışmasının ikinci aşamasında, deneysel sonuçları en iyi tahmin eden Shear Stress Transport k-ω türbülans modelinin sayısal sonuçları, Büyük Eddy Simülasyonu (LES) türbülans modeli kullanılarak SM1 alevi için literatürde yer alan bir sayısal analizin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu iki türbülans modelinin deneysel verileri tahmin etme düzeyleri ve akış bölgesindeki davranışları incelenmiştir. Karşılaştırma sonucunda Sydney girdap alev ailesinin kararlı alevleri için Shear Stress Transport k-ω türbülans modelinin kullanılmasının yeterli olduğu görülmüştür. Yakıcı geometrisi tasarımında da Shear Stress Transport k-ω türbülans modeli kullanılmasına karar verilmiştir. Yakıcı tasarımı iki alt aşamada değerlendirilmiştir. Birinci aşamada, doğrulama adımında incelenen SM1 alevinin geometrisi temel alınmıştır. Alev, ekivalans oranı ve hava fazlalık katsayısı açısından incelenmiştir. Kararlılığını etkileyen parametreler değerlendirilmiştir. Daha sonra endüstriyel yakıcılarda kullanılan yakıcıların güç, yakıt ve hava jet hızları ve hava fazlalık katsayısı gibi değişkenleri göz önüne alınmıştır. Bu yakıcılardaki hızların ve hava fazlalık katsayılarının SM1 alevine göre oldukça düşük oldukları gözlemlenmiştir. Düşük hava hızları ve makul hava fazlalık katsayısı ile yakıcı geometrisinin nasıl davrandığı incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar yakıcının endüstriyel şartlarda kararlı bir alev oluşturmadığını göstermiştir. İnceleme esnasında hızların ve hava fazlalık katsayısının etkileri hakkında da bilgi birikimi oluşturulmuştur. Analizlerin sonucunda, yakıtın yakıcı yüzeyine yayılmasını sağlayacak geometrik bir çözüm gerekliliği görülmüştür. Yakıcı tasarımının ikinci aşamasında, konik bir geometrik engelin yakıt jeti önüne konulmasının etkileri incelenmiştir. Geometrik engel değerlendirilirken, engelin büyüklüğü ve yakıt girişini olan uzaklığı için farklı değerler kullanılarak parametrik bir çalışma yapılmıştır. Geometrik şeklin yakıtı yakıcı üzerinde yaymasını sağlamak ve bu esnada yakıt jetinin akış ayrılması sonucu akış alanını kesmesini engellemek karşılaşılan en büyük zorluk olmuştur. Bu zorlukları aşmak için geometrik engele eklemeler yapılmış ve sonuç geometrisi oluşturulmuştur. Yapılan uzun analizlerin sonucunda çalışmada kullanılan farklı gaz bileşimleri için kararlı alev oluşmasını sağlayan bir engel geometrisi elde edilmiş ve yapılan yakıcı tasarımı olarak sunulmuştur.