NUMERICAL INVESTIGATION OF GAS-SOLID FLOW HYDRODYNAMICS IN A CIRCULATING FLUIDIZED BED

Transkript

1 Isı Blm ve Teknğ Ders, 27, 2, 21-33, 2007 J. of Thermal Scence and Technoloy 2007 TIBTD Prnted n Turkey ISSN SİRKÜLASYONLU AKIŞKAN YATAKTA GAZ-KATI AKIŞ HİDRODİNAMİĞİNİN SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ Özür BAYSAL, M. Fevz KÖSEOĞLU, Hüseyn TOPAL ve Şenol BAŞKAYA Gaz Ünverstes Mühendslk Mmarlık Fakültes Makne Mühendslğ Bölümü Maltee/ANKARA (Gelş Tarh: ) Özet: Akışkan yataklarda, yanma ve emsyon davranışları en başta yatak hdrodnamğ tarafından belrlenmektedr. Akışkan yatakların hdrodnamğ, az-katı k fazlı akış modeln ve etkleşmlern açıklayan br mekanzmadır. Bu çalışmada, soğuk model br akışkan yatak çersndek, az-katı k fazlı akışın hdrodnamğ PHOENICS sayısal akışkanlar dnamğ (SAD) aket roramı kullanılarak ncelenmştr. Modelde artkül yoğunluğunun, boş kolon az hızının ve artkül çaının akış hdrodnamğne etkler ncelenmştr. Smülasyonlarda az olarak hava, yatak malzemes olarakta küresel cam boncuk kullanılmıştır. Partkül yoğunluk değşm, boş kolon az hızı değşm ve artkül çaı değşm le akışkan yatak çersndek katı dolaşım oranının oldukça fazla etklendğ örülmüştür. Anahtar Kelmeler: Akışkan yatak, Gaz-katı k fazlı akış, Hdrodnamk, Sayısal akışkanlar dnamğ. NUMERICAL INVESTIGATION OF GAS-SOLID FLOW HYDRODYNAMICS IN A CIRCULATING FLUIDIZED BED Abstract: Combuston and emsson characterstc of fludzed beds are manly determned by bed hydrodynamcs. Fludzed bed hydrodynamcs s a mechansm that exlans as-sold two hase flow and ther nteractons n fludzed beds. In ths study, as-sold two hase flow hydrodynamcs n a cold model fludzed bed was numercally nvestated by usn PHOENICS comutatonal fluds dynamcs (CFD) code. In the model, the effects of artcle densty, suerfcal velocty and artcle dameter on flow hydrodynamcs were nvestated. In the smulatons, ar was used as a as hase, and shercal lass bead was taken as sold hase. It has been determned that sold crculaton rate was nfluenced by the chanes n artcle densty, suerfcal as velocty and artcle dameter. Keywords: Fludzed bed, Gas-sold two-hase flow, Hydrodynamcs, Comutatonal flud dynamcs. SEMBOLLER C D Sürüklenme katsayısı [-] C µ Deneysel Sabt [-] D Yatak çaı, [m] d Ortalama artkül çaı [m] Yerçekm vmes [m/s 2 ] G av Katı dolaşım oranı [k/h] k Katı fazının türbülans knetk eners [m 2 /s 2 ] Re Partkül Reynolds sayısı (=α d (u -u )/µ l ) U o Boş kolon az hızı [m/s] U t Katı artküllern termnal hızı [m/s] Gaz hızı [m/s] u u Partkül hızı [m/s] V Brm hacmdek az hacm [m 3 ] V Brm hacmdek artküllern hacm [m 3 ] V Tolam brm hacm [m 3 ] w Eksenel artkül hızı [m/s] Kartezyen koordnatlardak eksen takımı x,y,z α Gaz fazı hacmsel oranı [-] α Katı fazı hacmsel oranı [-] β Gaz-katı momentum değşm katsayısı [k/m 3 s] P Basınç [Pa] δx,δy,δz Hücre enşlkler [m] ε Türbülans knetk enersnn emlm [m 2 /s 3 ] Θ Granular temerature [m 2 /s 2 ] µ l Gaz fazı lamner (moleküler) vskoztes [k/m.s] µ t Gaz fazı türbülans (eddy) vskoztes [k/m.s] µ e Gaz fazı efektf vskoztes [k/m.s] µ l Katı fazı lamner (moleküler) vskoztes [k/m.s] µ t Katı fazı türbülans (eddy) vskoztes [k/m.s] µ e Katı fazı efektf vskoztes [k/m.s] Gaz yoğunluğu [k/m 3 ] Partkül yoğunluğu [k/m 3 ] GİRİŞ Çevre yönetmelkler ve nsan sağlığının korunması, kömürü yakmak çn temz kömür teknololer erektrmektedr. Şu ana kadar sanaynn kullandığı hareketl ızaralı kömür kazanları ve elektrk üretmnde kullanılan ulverze kömürlü kazanların bell başlı roblemler vardır. Düşük kaltel lnytlerden temz ve verml ener eldes çn en uyun teknolo se, şu an çn 250 MW e kaastesne kadar şletmede olan ve halen elşm sürdürülmekte olan akışkan yatak teknolosdr. Lnyt kömürünün, ülkemzdek blnen rezervnn 8 mlyar ton olduğu öz önüne alındığında 21

2 akışkan yatak teknolos, üzernde durulması ereken br teknolodr. Br Srkülasyonlu Akışkan Yatağı (SAY) uyun br bçmde dzayn etmek ve çalışma şartlarını belrlemek çn kolon hdrodnamğnn y anlaşılması erekmektedr. Br SAY'nn hdrodnamğ, az-katı k fazlı akış modeln ve etkleşmlern açıklayan br mekanzmadır. SAY çok fazlı br akış sstemdr ve çok fazlı sstemlerdek denklemler, tek fazlı akışlar çn kullanılan denklemlerden daha karmaşıktır ve smülasyonlarının yaılablmes çn daha komlke matematksel modeller erektrr. SAY çersndek az ve katı artküllern hdrodnamğ, SAY'rın dzaynını ve sstemn erformansını belrler. Çok fazlı sstemler çözmek çn yen deneysel korelasyonlar, denklemler ve matematksel modeller erekmektedr. Son 20 yılda çok fazlı analz, sanaynn brçok branşında yen teknololer üretmek çn başarılı br şeklde kullanılmaktadır. Lteratürde, akışkan yatakların hdrodnamğ le ll brçok deneysel ve sayısal çalışma mevcuttur. Sayısal çalışmalarda akışkanlar mekanğnn temel denklemler kullanılır ve enellkle akışkan yatağın kolon kısmının hdrodnamk davranışı ncelenr. S. Benyaha ve ark. (2000) br SAY'nn kolon bölümündek az-artkül akışın smülasyonunu, tcar br Sayısal Akışkanlar Dnamğ (SAD) kodu kullanarak erçekleştrdler. Yatıkları çalışmada, k boyutlu, zamana bağımlı ve zotermal az-katı akışın smülasyonunu erçekleştrdler. Bu çalışmada katı fazı erlmelern, knetk teor yaklaşımı kullanarak kaalı hale etrdler. Smülasyonda katı ve hava rşl rş koşulu uyulanarak, kolonun yoğun bölelernde core-annulus akış yaısının oluştuğunu belrledler. Hız, hacmsel oran, basınç ve türbülans arametreler çn az ve katı akış rofller çıkardılar. Y. P. Tsuo ve D. Gdasow (1990) yatıkları çalışmada br SAY'nn k boyutlu smülasyonunu erçekleştrerek kümelenme (cluster) oluşumunu ve core-annulus akış remn österdler. Smülasyonlarında Euleran-Euleran modeln kullandılar ve katı vskoztesn sabt olarak kullanarak elde ettkler hacmsel oran dağılımlarının ve hız rofllernn deneysel verler le uyumlu olduklarını österdler. Y. Zhen ve ark. (2001) yatıkları çalışmada, br SAY'nn kolon bölümündek, az-katı, türbülanslı akışın smülasyonu çn br k-ε-k -ε -Θ k akışkan model kurdular. Bu çalışmada br reaktör kolonu, k boyutlu ve zotermal olarak çözüldü. Kullanılan model, az ve artküller arasındak türbülans etkleşmn hesaba katan düşük Reynolds sayılı türbülans model le hem az ve hem de katı artküllern smülasyonunu yaan tanel akışın knetk teorsne dayanıyor. Y. Zhen ve ark. yatıkları çalışmada artkül fazı türbülansının hmal edldğ k-ε- Θ model, az ve katı fazları arasındak türbülans etkleşmnde türbülans knetk eners yutumunun olmadığı k-ε-k -ε -Θ model ve türbülans knetk eners yutumunun olduğu k-ε-k -ε -Θ model olmak üzere 3 modeln smülasyonunu yürüttüler. Onlar çalışmalarında en y sonucu, türbülans knetk eners yutumunun olduğu k-ε-k -ε -Θ modelnde elde ettler. L. Cabezas-Gómez ve F.E. Mlol (2003) br SAY'nn kolonundak az-katı k fazlı akışın hdrodnamğn ncelemek çn br nümerk, arametrk çalışma yatılar. Smülasyonlarda k boyutlu slndrk ve kartezyen koordnatlar kullanıldı. Her k fazın lamner ve zotermal olduğunu kabul ederek, her br faza Euleran- Euleran formülasyonunu uyuladılar. Katı fazı vskoztesn μ k =0,0k/ms, μ k =0,250k/ms, μ k =0,509k/ms, μ k =0,750k/ms, μ k =1,0k/ms değerlernde ayrı ayrı alarak smülasyon erçekleştrdler. Katı vskoztesnn yüksek olduğu durumlarda, çıkışa yakın yerlerde kümelenmenn olduğu ve katı vskoztesnn sıfır olduğu durumda radyal yönde artkül hızının ve hacmsel oranın değşmedğn ve kümelenmenn hç olmadığı österdler. Araştırmacılar ayrıca fazlar arası momentum değşm katsayısı çn Wen-Yu, Erun, Gdasow, Gblaro ve D Felce fonksyonlarını kullanarak arametrk br çalışmada yatılar. B. Saakulnukt (1999), doktora teznde br srkülasyonlu akışkan yatağın hdrodnamğn ve ısı transfern, deneysel ve sayısal olarak nceled. B. Saakulnukt, SAY'nn kolonunun smülasyonu çn k boyutlu br model kullandı ve PHOENICS sayısal akışkanlar dnamğ roramı kullanarak bell koşullar altında kolonda core-annulus yaının oluşableceğn österd. B. Saakulnukt çalışmasında Euleran- Euleran modeln kullandı ve akışı Stokes rem olarak alarak fazlar arasındak momentum değşm katsayısını hesalanması çn bu remn korelasyonunu kullandı. H. Toal (1997), doktora tez çalışmasında farklı şletme koşulları altında Tunçblek lnyt ve absorbent olarak Göynük kreçtaşı kullanılarak akışkan yatağın hdrodnamk özellkler, yanma ve emsyon davranışını deneysel olarak ncelemştr. 0,125m ç çaında, 1,80m yükseklğnde br sıcak ve aynı eometrye sah br soğuk modelde yerel az akış hızları, yerel sıcaklık dağılımları katı kütle ve yerel az konsantrasyon dağılımları fzksel benzeşme yönelk olarak ncelenmştr. En uyun deney koşullarında yanma verm %98, Ca/S=2,5 oranı, SO 2 tutma verm se %92 (SO 2 =272m/Nm 3 ) olarak bulunmuştur. F. Tahour ve ark. (2005), k boyutlu, az-katı akışkan yatak reaktörlernn çndek akış davranışını br tcar SAD roramı kullanarak nceledler ve momentum değşm katsayısını, Syamlal-O'Bren, Gdasow ve Wen-Yu'nun sürüklenme fonksyonlarını uyulayarak hesalamışlardır. M. Chesa ve ark. (2005), yatıkları çalışmada br laboratuar ölçekl akışkan yatağın davranışını, Euleran-Euleran ve Euleran- Laranan metotlarını kullanarak sayısal olarak nceledler. S. Benyaha ve ark. (2000), br SAY nn kolon bölümündek az-katı akış davranışını, SAD aket roramı olan Fluent kullanılarak ncelemşlerdr. Herbr faz çn hız, hacmsel oran, basınç ve türbülans arametreler çn az ve artkül akış rofllern elde etmşlerdr. L. Huln ve ark. (2003), 6 m. yükseklğndek kolon çersndek az-katı akışın dnamk davranışını, tanel akışın knetk teorsne dayanan, zamana bağımlı, 2 boyutlu br hdrodnamk model kullanımı le çözmüşlerdr. Çalışmalarında anlık ve yerel az-artkül hızlarını, hacmsel oranları ve 22

3 türbülans arametrelern elde etmşlerdr. İlk koşulların, kolon rş eometrsnn, kolon çaının ve kolon dkey eğmnn etksn ncelemşlerdr. J. R. Grace ve F. Tahour (2004), akışkan yatakların nümerk modellenmes ve doğrulanması le ll yazdıkları makalede doğru br analz yaablmek çn nümerk hataların hesaba katılması erektğn, ayrıca model verler le deneysel sonuçların çok enş br aralıkta karşılaştırılması erektğn söylemşlerdr. Problemn Tanımı ve Matematksel Formülasyon Bu çalışmada tek sklonlu br akışkan yataktak, az-katı çft fazlı akışın hdrodnamğ, sürekl remde ve 3 boyutlu br model kullanılarak sayısal olarak ncelenmştr. Bu çalışmada, her k fazın korunum denklemlernn ayrı ayrı çözüldüğü Euleran-Euleran model (k akışkan model) kullanılmıştır. Bu metotta, her br faz akış alanı çersnde kend özellkler sah ancak akış alanında ortak basınca sahtr. Gaz-katı fazları arasındak momentum transfer çn yalnızca sürüklenme le olan momentum transfer öz önüne alınmış ve Gdasow modeln kullanılmıştır. Gaz ve katı fazlarının türbülanslı akışı se standart k-ε türbülans model kullanılarak modellenmştr. Smülasyonlarda kullanılan matematksel model denklemler aşağıda verlmştr. 1. Sürekllk Denklemler Gaz Fazı : ( α u, ) = 0 (1) Katı Fazı : ( α u, ) = 0 (2) 2. Momentum Denklemler Gaz Fazı : α u ( u ),, u + α μ e Katı Fazı: α u, u, + = α, ( ) u α μ e, u + P + α, u +, + β β ( u u ), P = α + α, ( u u ),, (3) (4) 3. Fazların Hacmsel Oranı ( V ) v ( V ) α =, α v = (5) V V α α = 1 (6) + 4. Fazlar Arası Momentum Transfer, β, Gdasow Model: α >0,8 3 α α u, u, 2, 65 β = CD α (7) 4 d CD Re [ 1+ 0,15( α Re ) ] 0, = (8) α Re α. u, u,. d. = (9) μ, l α α 0,8 β = 150 Katı Vskoztes ( 1 α ) α d 2 α u + 1,75 d, μ l u, (10) Katı vskoztes aslında yaay br kavramdır. Bu fade katı artküller arasındak etkleşm hesaba katmak çn ortaya çıkarılmıştır. Bu çalışmada katı vskoztes, katı lamner vskoztes ve katı türbülans vskoztesnn tolamı olarak öz önüne alınmıştır. Katı lamner vskoztes sabt olarak kabul edlmş, katı türbülans vskoztes çn se aşağıdak fade kullanılmıştır: 2 k μ = C (11) t μ ε Burada C μ deneysel br sabt olu 0,09 olarak alınmıştır. Katı vskoztes ayrıca, tanel akışın knetk teors le de modelleneblr. Model Geometrs, Smülasyon Verler, Nümerk ve Sınır Koşulları Smülasyonlarda kullanılan eometr Şekl 1'de, smülasyon verler, nümerk ve sınır koşulları Tablo 1'de verlmştr. Çalışmalarda az olarak hava, katı olarak da küresel cam boncuklar kullanılmıştır. Ssteme hava, kolon rş ve kncl hava bağlantı noktası olmak üzere k noktadan verlmektedr. Ssteme katı se deneme çalışmalarının dışında verlmemş sadece kolon çersnde lk katı mktarının 5k olduğu varsayılmıştır. Duvarlarda her k faz çnde kaymama sınır koşulu uyulanmış, çıkışta se tam elşmş akış sınır şartı ve atmosferk basınç sınır şartı uyulanmıştır. Smülasyonlarda kartezyen koordnatlar kullanılmış olu, 3 boyutlu ve ünform hücre yaısı (55x35x180=346500) öz önüne alınmıştır. 23

4 İterasyon Sayısından Bağımsızlık Çözümün terasyon sayısından bağımsız olduğunu belrlemek çn yaılan çalışma Şekl 2'de österlmştr. Kolon çersndek herhan br noktadak (x=0,06m, y=0,21m, z=1,2m) katı hacmsel oranının ( α ), terasyon sayısı le değşm örülmektedr. Grafkte terasyon sayısının, roblemn sürekl hale elmes çn yeterl olduğu örülmektedr. Çözüm Teknğ Bu çalışmada, roblem tanımlayan temel korunum denklemler, sonlu hacmler metodu le çalışan PHOENICS Sayısal Akışkanlar Dnamğ koduyla çözülmüştür. PHOENICS'te çft fazlı akış denklemler, IPSA (Inter-Phase Sl Alorthm) alortması kullanımı le çözülür. Bu yöntem çok fazlı akışlar çn elştrlmştr ve tek fazlı akışlar çn kullanılan SIMPLE alortmasına dayanmaktadır. Konveksyondfüzyon taşınımı çn se hbrd metodu kullanılmıştır. Şekl 1. Smülasyonlarda kullanılan modeln şematk örünümü. katı dolaşım oranına etks ve rşte katı akısının olduğu ve olmağı durumda katı dolaşım oranının değşm ncelenmştr. α İterasyon sayısı Şekl 2. x=0,06m, y=0,21m, z=1,20m konumundak katı hacmsel oranının (α ) terasyon sayısı le değşm İlk çalışmalarda katı dolaşım oranının yeterl sevyede olmadığı örülmüş ve bu sorunu aşmak çn er dolaşım hattındak (stande) azlara sabt neatf hızlar verlmştr. Ger dolaşım hattındak azlara 0,4-0,6-0,8 ve 1,0m/s olmak üzere 4 ayrı neatf hızlar verlmş ve er dolaşım hattı az hızının, sürekl remde, katı dolaşım oranını etkley etklemedğ ncelenmştr. Ancak çalışmalarda 4 ayrı hız çnde katı dolaşım oranının fazla değşmedğ örülmüştür ve arametrk çalışmalar esnasında bu değer -0,6m/s olarak öz önüne alınmıştır. Akışkan yataklarda çeştl er dolaşım yatağı türler mevcuttur. Deneme çalışmalarında seal ort ve L vana olmak üzere k farklı tür öz önüne alınmıştır. Smülasyonlardan, Seal ort ve L vana kullanımının katı dolaşım oranına etksnn az olduğu belrlenmş ve dğer arametrk çalışmalarda, smülasyonlardak bazı sıkıntılardan dolayı L vana seçlmştr. Smülasyonlar sürekl remde olduğu çn rşte katı akısının olduğu ve olmadığı durum çn deneme çalışmaları yaılmıştır. İlk deneme çalışması, rşte katı akısının olmadığı yalnızca kolon çersnde 10k lk katı mktarının olduğu durumda erçekleştrlmştr. İknc deneme çalışması se rşte kolon çersnde 10k lk katı mktarının yanı sıra, rşte 1k/h'lk katı akısı verldğ durumda erçekleştrlmştr. Grşte katı akısının olduğu roblemde, 1k/h'lk katı akısından dolayı katı dolaşım oranı br mktar yüksek çıkmıştır. Ancak rştek katı akısının mktarı, katı dolaşım oranının azımsanmayacak br kısmını oluşturduğundan dolayı dğer arametrk çalışmalar yalnızca kolon çersnde katı mktarının olduğu durumlar çn erçekleştrlmştr. Deneme Çalışmaları Çalışmalarda uyun eometry ve çalışma koşullarını belrlemek çn arametrk çalışmalardan önce br dz deneme çalışmaları yaılmıştır. Bu deneme çalışmalarında, er dolaşım hattındak sabt az hızının katı dolaşım oranına etks, er dolaşım yatağı türünün 24

5 Tablo 1. Smülasyon verler, nümerk koşullar ve sınır şartları. Koşul Büyüklük Değer Brncl hava hızı (14 adet ) (U,b ) 1,587-15,873m/s İkncl hava hızı (U, ) 0,296-2,958m/s Katı rş hızı (14 adet) (U,b ) 0-8,928m/s Grştek az hacmsel oranı (α ) 0, ,0 Grştek katı hacmsel oranı (α ) 0-5,24x10-6 Brncl hava türbülans knetk eners (k) İkncl hava türbülans knetk eners 0, ,517m 2 /s 2 1,799x ,796x10-2 m 2 /s 2 Grş Koşulları (k) Brncl hava türbülans knetk eners 0, ,70m 2 /s 3 yutumu (ε) İkncl hava türbülans knetk eners 1,237x ,228x10-2 m 2 /s 3 yutumu (ε) Duvar Koşulları Duvarda kaymama sınır koşulu (u =v = w = u = v = w = 0) φ φ = u, v, w, Tam elşmş akış, çıkışta sabt = 0, Çıkış Koşulları atmosferk basınç z u, v, w, k, ε P=1atm Partkül çaı (d ) μm Partkül yoğunluğu ( ) k/m 3 Gaz fazı lamner vskoztes (μ l ) 1,791x10-5 k/m.s Smülasyon Verler Katı fazı lamner vskoztes (μ l ) 5,0k/m.s Havanın yoğunluğu ( ) 1,16k/m 3 İterasyon sayısı mn Nümerk Koşullar Hücre enşlkler δ x =0,00809m, δ y =0,00796m, δ z =0,01022m Momentum kaynağı Ger dolaşım yatağı az hızı (w s ) -0,4, -0,6, -0,8, -1,0m/s SAYISAL SONUÇLAR Bu çalışmada, artkül yoğunluğunun, boş kolon az hızının ve artkül çaının akışkan yatak çersndek akışa etks sayısal olarak ncelenmştr. Bu değşkenlern katı dolaşım oranlarına etklernn yanı sıra, katı hacmsel oranları ve artkül hızlarının kolon çersndek radyal dağılımları verlmştr. Aynı zamanda belrlenen kestler çn az hızı vektör dağılımları ve katı hacmsel oran konturları da österlmştr. Belrlenen kestler Tablo 2, Şekl 3 ve Şekl 4'te verlmştr. Tablo 2. Akışkan yatak modelnde belrlenen kestlern boyutları. Kest No x (mm) y (mm) z (mm) K , K , K ,5 232,5 K , Partkül Yoğunluk Değşmn Akışa Etks Partkül yoğunluklarının, akışkan yatak çersndek azkatı çft fazlı akışa olan etksn ncelemek çn 4 farklı yoğunlukta artküller kullanılmıştır. Partkül yoğunlukları 1500, 2700, 3900 ve 5100k/m 3 olarak seçlmş ve dğer çalışma şartları sabt tutularak artkül yoğunluk değşmn kolon çersndek akışa olan etks ncelenmştr. Partkül çaları 100μm olarak seçlmş, boş kolon az hızı en yüksek yoğunluklu artkülün termnal hızını sağlayacak şeklde seçlmştr (1,1m/s) ve kncl hava debsnn, brncl hava debsne oranı 0,25 olacak şeklde ayarlanmıştır. Partkül yoğunluk değşm le katı dolaşım oranının değşm Şekl 5'te verlmştr. Şekl 3. Akışkan yatak model çn belrlenen kestler, (K1,K2, Üst Görünüş). Şekl 5'te örüldüğü b artkül yoğunluğunun değşmes le katı dolaşım oranlarının değştğ örülmektedr. En düşük katı dolaşım oranı, en düşük yoğunluklu artkülde (1500k/m 3 ) elde edlmştr. En yüksek katı dolaşım oranları 3900k/m 3 yoğunluklu artkülde elde edlmştr. İlk önce artan artkül yoğunluğu le katı dolaşım oranı artmış, daha sonra br mktar düşmüştür. Bunun neden, artkül yoğunluğunun akışa etksnn yanı sıra, farklı artkül 25

6 yoğunluklarının termnal hızlarının farklı olması neden le boş kolon az hızının termnal hıza oranının da (U o /U t ) akışı etklemesdr G av (k/h) (k/m 3 ) Şekl 5. Partkül yoğunluk değşm le katı dolaşım oranının (G av ) değşm w (m/s) =1500k/m3 =2700k/m3 =3900k/m3 =5100k/m D (m) Şekl 6. 4 farklı yoğunluktak artküllern z=1,0m yükseklğndek eksenel artkül hızlarının karşılaştırılması. Şekl 4. Akışkan yatak model çn belrlenen kestler, (K3,K4). Baysal Ö. nün Yüksek Lsans çalışmasında 0,5-1,0 ve 1,6m. yükseklğndek sonuçlar verlmştr ancak burada sadece 1,0m. yükseklğndek sonuçlar verlmştr. Kolon çersnde 1,0m yükseklktek, eksenel artkül hızının ve katı hacmsel oranının radyal dağılımlarının 4 farklı yoğunluk çn karşılaştırılması Şekl 6 ve Şekl 7'de österlmştr. Eksenel artkül hızlarının radyal dağılımlarına bakıldığında kolon merkezndek eksenel artkül hızlarının boş kolon az hızından daha yüksek olduğu, kolon duvar kısımlarında se daha düşük olduğu örülmektedr. Artan artkül yoğunluğu le eksenel artkül hızının radyal dağılım eğrsnn konkleşme eğlmnde olduğu örülmektedr. Kolon duvarlarında, artan artkül yoğunluğu le artkül eksenel hızlarının br mktar düştüğü kolon merkeznde se yüksek yoğunluklu artküllern hızlarının yüksek olduğu örülmektedr. Bunun ana neden se bu bölede yüksek yoğunluklu artküllern katı hacmsel oranının br mktar düşük olmasıdır. α D (m) =1500k/m3 =2700k/m3 =3900k/m3 =5100k/m3 Şekl 7. 4 farklı yoğunluktak artküllern z=1,0m yükseklğndek katı hacmsel oranının karşılaştırılması. Katı hacmsel oranının radyal dağılımına bakıldığında, kolon bağlantı borusunun konumundan dolayı, kolon bağlantı borusunun karşı tarafındak duvar bölesnde katı hacmsel oranının daha fazla olduğu, kolon merkeznde ve kolon bağlantı borusunun bulunduğu 26

7 duvar bölesnde se brbrlerne daha yakın olduğu örülmektedr. Kolon bağlantı borusunun konumuna rağmen, kolon merkeznde nseten daha düşük katı hacmsel oranları oluşmakta, kolon duvar bölelernde se daha yüksek katı hacmsel oranları oluşmaktadır. Dğerlerne öre yüksek katı dolaşım oranlarından dolayı, 3900k/m 3 yoğunluklu artkülün kullanıldığı durumda, kolon bağlantı borusunun karşı tarafındak katı hacmsel oranları daha yüksek çıkmıştır. En düşük katı hacmsel oranı se, düşük katı dolaşımından dolayı 1500k/m 3 yoğunluklu artkülün kullanıldığı durumda oluşmuştur. Şekl 8 ve Şekl 9'da katı hacmsel oran konturları ve az hızı vektör dağılımlarının yoğunluk le değşmler österlmştr. Şekl 8'e bakıldığında 3900k/m 3 ve 5100k/m 3 yoğunluklu artküllern kullanıldığı durumlarda, katı dolaşım oranlarının yükseklğnden dolayı akışkan yatağın sklon bölümünde daha fazla katı konsantrasyonu oluşmaktadır ve en düşük katı hacmsel oranı se 1500k/m 3 yoğunluklu artküllern kullanıldığı durumda oluşmaktadır. Katı artküller sklonun duvar bölesnde tolanmakta olduğu ve en yüksek katı konsantrasyonları er dolaşım hattında oluştuğu örülmektedr. Şekl 9'a bakıldığında se kolon bağlantı borusunun kestnde (K3), düşük yoğunluklu artküllern kullanıldığı durumda, az hızlarının yüksek olduğu ve artan yoğunluk le az hızlarının düştüğü örülmektedr. (a) (b) (c) (d) Şekl 8. Farklı artkül yoğunlukları çn K1 kestndek katı hacmsel oranı kontur dağılımları, (a) 1500k/m 3, (b) 2700k/m 3, (c) 3900k/m 3, (d) 5100k/m 3. 27

8 (a) (b) (c) (d) Şekl 9. Farklı artkül yoğunlukları çn K3 kestndek az hızı vektör dağılımları, (a) 1500k/m 3, (b) 2700k/m 3, (c) 3900k/m 3, (d) 5100k/m 3 (L-vana Üst Görünüş). Boş Kolon Gaz Hızı Değşmnn Akışa Etks Boş kolon az hızının akışkan yatak çersndek azkatı çft fazlı akışa olan etksn ncelemek çn 2700k/m 3 yoğunluğunda ve 100μm çaında artküller kullanılmış ve 4 farklı boş kolon az hızları uyulanarak smülasyonlar yaılmıştır. Boş kolon hızları, 2700k/m 3 yoğunluklu ve 100μm çalı artküllern termnal hızı (0,611m/s) dkkate alınarak 0,4-0,611-1,0 ve 2,0m/s olarak belrlenmştr. Boş kolon az hızı le katı dolaşım oranının değşm Şekl 10'da verlmştr. Şekl 10'a bakıldığında en düşük katı dolaşım oranı, termnal hızın altındak br değer olan 0,4m/s boş kolon az hızında oluşmakta, en yüksek katı dolaşım oranı da 2,0m/s boş kolon az hızlı durumda oluşmaktadır ve artan boş kolon az hızı le katı dolaşım oranının arttığı örülmektedr. Kolon çersnde 1,0m yükseklktek, katı hacmsel oranının radyal dağılımların 4 farklı boş kolon az hızı çn karşılaştırılması Şekl 11'de österlmştr. Kolon çersnde en yüksek katı hacmsel oranı, katı dolaşım oranına aralel olarak 2,0m/s boş kolon hızlı durumda oluşmakta en düşük katı hacmsel oranı se 0,4m/s boş kolon az hızlı durumda oluşmaktadır. G av (k/h) U o (m/s) Şekl 10. Boş kolon az hızı değşm le katı dolaşım oranının değşm. Partkül Çaı Değşmnn Akışa Etks Partkül çaı değşmnn, akışa etksn ncelemek 2700k/m 3 yoğunluğunda, 50, 100, 200 ve 300μm çalarında artküller kullanılmıştır. Boş kolon az hızı, bütün artküllern termnal hızını (2,8m/s) sağlayacak şeklde seçlmştr. Partkül çaı değşm le katı dolaşım oranının değşm Şekl 12'de österlmştr. 28

9 α Uo=0,4 m/s Uo=0,611 m/s Uo=1,0 m/s Uo=2,0 m/s D (m) Şekl farklı boş kolon az hızları çn z=1,0m yükseklğndek katı hacmsel oranlarının karşılaştırılması. 25 bölede 100 ve 300µm çalı durumlarda hemen hemen aynı katı hacmsel oranları oluşmasına rağmen 100µm çalı durumda artkül hızı daha fazladır. Özellkle 100, 200 ve 300µm çalı durumlarda eksenel artkül hızlarının radyal dağılımı arabolğe yakınken 50µm çalı durumda eksenel artkül hızlarının radyal dağılımı nseten daha yassıdır. Şekl 14'e bakıldığında, katı dolaşım oranı dğerlernden oldukça yüksek olan 100µm çalı durumdak radyal dağılımın oldukça farklı olduğu örülmektedr. 50µm çalı durumdak dağılım yassı olmasına rağmen dğer 3 durumdak radyal dağılım ünform değldr. Kolon bağlantı borusunun karşı tarafındak duvar bölesnde mnmum katı hacmsel oranları 50µm çalı durumda oluşurken, maksmum katı hacmsel oranları se 100 ve 300µm çalı durumlarda oluşmaktadır G av (k/h) d (μm) Şekl 12. Partkül çaı değşm le katı dolaşım oranının değşm. Şekl 12'de örüldüğü b 100μm çalı durumdak katı dolaşım oranı dğer üçünden oldukça fazla çıkmıştır. Ça değşmnn akışa etksnn yanı sıra, farklı çalı artküllern termnal hızlarının farklı olması neden le boş kolon az hızının termnal hıza oranının da (U o /U t ) etkl olduğu örülmektedr. Büyük çalı artküllern termnal hızı yüksek olmasından dolayı U o /U t oranı düşüktür. Bu nedenden dolayı katı dolaşım oranı artan ça le lk önce artmış daha sonra daha sonra azalmıştır. En yüksek katı dolaşım oranı 100µm çalı durumda oluşmakta ve 50, 200 ve 300μm çalı durumlarda katı dolaşım oranları brbrlerne yakın değerler almıştır. Ancak 100μm çalı durumda, katı dolaşım oranı dğerlernden oldukça fazla çıkmasının neden sayısal çalışmadak yaılan kabullerden kaynaklanıyor olablr. Kolon çersnde 1,0m yükseklktek, eksenel artkül hızının ve katı hacmsel oranının radyal dağılımlarının 4 farklı artkül çaı çn karşılaştırılması Şekl 13 ve Şekl 14'de österlmştr. Şekl 13'e bakıldığında kolon bağlantı borusunun karşı taraftak duvar kısmında artkül hızları ça le oldukça fazla değşmektedr. Kolon bağlantı borusunun karşı tarafındak duvar kısmında, artkül hızları artan ça le azalmaktadır. Bu w (m/s) d=50μm d=100μm 0.5 d=200μm d=300μm D (m) Şekl farklı artkül çalarında z=1,0m yükseklğndek eksenel katı hızlarının karşılaştırılması. α d=50μm d=100μm d=200μm d=300μm D (m) Şekl farklı artkül çalarında z=1,0m yükseklğndek katı hacmsel oranının karşılaştırılması. Şekl 15 ve Şekl 16'da katı hacmsel oran konturları ve az hızı vektör dağılımlarının ça le değşm österlmştr. Şekl 15'e bakıldığında, kolon ve sklon rşnde az hızlarının artan artkül çaı le düştüğü örülmektedr. Şekl 16'da se sklon bölümünde en düşük katı konsantrasyonları 50µm çalı durumda 29

10 oluşmakta ve 100, 200 ve 300μm çalı durumlarda brbrlerne yakın değerler aldıkları örülmektedr. Ayrıca bütün durumlarda, merkezkaç kuvvet neden le artküllern sklon duvarlarında tolandıkları örülmektedr. (a) (b) (c) (d) Şekl 15. Farklı artkül çaları çn K2 kestndek az hızı vektör dağılımları, (a) 50μm, (b) 100μm, (c) 200μm, (d) 300μm. 30

11 (a) (b) (c) (d) Şekl 16. Farklı artkül çaları çn K4 kestndek katı hacmsel oranı kontur dağılımları, (a) 50μm, (b) 100μm, (c) 200μm, (d) 300μm (Üst Görünüş). SONUÇLAR Bu çalışmada, soğuk model akışkan yatak çersndek az-katı k fazlı akışın hdrodnamğ sayısal olarak ncelenmştr. Akışkan yatakların hdrodnamğ, azkatı k fazlı akış modeln ve etkleşmlern açıklayan br mekanzmadır. Çok fazlı sstemlerdek denklemler, tek fazlı akışlar çn kullanılan denklemlerden daha karmaşık ve smülasyonlarının yaılablmes çn daha komlke matematksel modeller erektrr. Gaz-katı k fazlı akışın hdrodnamğn çözmek çn bu çalışmada kullanılan sayısal model, hem az fazı hem de katı fazlarının sürekl ortam olarak kabul edldğ k-akışkan (Euleran-Euleran) modeldr. Gaz ve katı fazı momentum denklemlerndek fazlar arası momentum transfern temsl eden term (β) se Gdasow Model kullanılarak modellenmştr. Yukarıda bahsedlen modellern robleme uyulanması, eometrnn oluşturulması, lk ve sınır şartlarının robleme uyulanması, az ve katı fazlarının fzksel özellklernn belrlenmes ve nümerk koşulların uyulanması br sayısal akışkanlar dnamğ (SAD) aket roramı olan PHOENICS kullanılarak erçekleştrlmştr. Çalışmalarda artkül yoğunluk değşmnn akışa etks, boş kolon az hızları değşmnn akışa etks ve artkül çaı değşmnn akışa etks ncelenmştr. Smülasyon sonuçlarından, artkül yoğunluk değşmnn, boş kolon az hızı değşmnn ve artkül çaı değşmnn katı dolaşım oranını (G av ) oldukça etkledğ örülmüştür. Partkül yoğunluk değşmn ncelendğ durumda, artan artkül yoğunluğu le katı dolaşım oranı artma eğlm östermektedr. Ancak artan yoğunluk le termnal hız artığından dolayı, sadece artkül yoğunluğu değştrldğnde, boş kolon az hızının, termnal hıza oranı da (U o /U t ) değşmektedr. U o /U t oranı da akışı etkleyen br faktör olu hem U o /U t hem de yoğunluk değşm akışı etklemektedr. Bu etkden dolayı 3900 ve 5100k/m 3 yoğunluklu durumlarda katı dolaşım oranları brbrlerne yakın çıkmıştır. En düşük katı dolaşım oranı se en düşük yoğunluk olan 1500k/m 3 yoğunluktak durumda oluşmuştur. Dğer değşkenler sabt tutularak, belrl br artkül çaı ve artkül yoğunluğu çn termnal hız belrlenmş ve boş kolon az hızları, termnal hızın altında ve üzernde seçlerek boş kolon az hızlarının değşm le katı dolaşım oranının değşm ncelenmştr. Smülasyon sonuçlarından boş kolon az hızının katı dolaşım 31

12 oranını oldukça fazla etkledğ örülmüştür. En düşük katı dolaşım oranı termnal hızın altında br değer olan 0,4m/s boş kolon az hızında oluşmuş ve 1,49k/h olarak elde edlmştr. En yüksek katı dolaşım oranı se en yüksek boş kolon az hızında oluşmuş ve 22,90k/h olarak elde edlmştr. Artan boş kolon az hızı le katı dolaşım oranının arttığı örülmüştür. Partkül çaının değşmnn ncelendğ durumda da ça değşmnn akışı etkledğ örülmüştür. Ça değşm le de termnal hız değştğnden dolayı U o /U t oranı bu durumda da akışla etksn östermektedr. U o /U t oranının da etks le 100μm artkül çalı durumda en yüksek katı dolaşım oranı elde edlmş 50, 200 ve 300μm artkül çalı durumda se katı dolaşım oranları brbrlerne yakın çıkmıştır. KAYNAKLAR Baysal, Ö., Dolaşımlı Akışkan Yatak İçersndek Gaz- Katı İk Fazlı Akışın Hdrodnamğnn Sayısal Olarak İncelenmes, Yüksek Lsans Tez, Gaz Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü,Ankara, Benyaha, S., Analyss of Sold Flow Patterns and Mxn n Gas/Sold flow Systems, Ph.D. Dssertaton, Illnos Instıtute of Technoloy, Chcao, 35-74, Benyaha, S., Arastooour, H., Knowlton, T. H., Massah, H., Smulaton of Partcles and Gas Flow Behavour n the Rser Secton of a Crculatn Fludzed Bed usn Knetc Theory Aroach for the Partculate Phase, Powder Technoloy, 112: 24-33, Cabezas-Gómez, L., and Mlol, F. E., Numercal Study on the Influence of Varous Physcal Parameters over the Gas-Sold Two-Phase Flow n the 2D Rser of a Crculatn Fludzed Bed, Powder Technoloy, 132: , Chesa, M., Mathesen, V., Melhem, J. A., Halvorsen, B., Numercal Smulaton of the Partculate Flow by the Euleran-Laranan and the Euleran-Euleran Aroach wth Alcaton to a Fludzed Bed, Comuter & Chemcal Enneern, 29: , Grace J.R., and Tahour F., Verfcaton and Valdaton of CFD Models and Dynamc Smlarty for Fludzed Beds, Powder Technoloy, 139: , Hansen, K. G., and Madsen, J., A Comutatonal and Exermental Study of a Gas- Partcle Flow n a Scale Crculatn Fludzed Bed, 9 th Semester Proect, Aalbor Unversty Esber, Esber, 33-38, 49-97, Huln, L., Gdasow, D., Boullard, J., Wente, L., Hydrodynamcs Smulaton of Gas Sold Flow n a Rser usn Knetc Theory of Granular Flow, Chemcal Enneern Journal, 95: 1-13, Köksal, M., Gas Mxn and Flow Dynamcs n Crculatn Fludzed Beds wth Secondary Ar Inecton, Ph.D. Dssertaton, Dalhouse Unversty, Nova Scota, , Kun, D., Levensel, O., Crculatn Fludzed-Bed Reactors, Chemcal Enneern Scence, 52(15): , Kun, D., and Levensel, O., Fludzaton Enneern, Butterworth Henemann, Stoneham MA, 64-71, L, Y., The Fnte Analytc Method Aled to Gas- Sold Two-Phase Flows, M.Sc. Thess, Dalhouse Unversty, Nova Scota, 19-29, Mahmood, A., Smulaton of Hydrodynamcs and Heat Transfer n Bubbln Fludzed Beds, M.Sc. Thess, Dalhouse Unversty, Nova Scota, 17-19, Mostafa, A. A., and Mona, H. C., On the Interacton of Partcles and Turbulent Flud Flow, Internatonal Journal Heat Mass Transfer, 31(10): , Ner, A., Gdasow, D., Rser Hydrodynamcs: Smulatons Usn Knetc Theory, AIChE Journal, 46(1): 52-67, Pärssnen, J. H., Zhu, J. X., Axal and Radal Solds Dstrbuton n a Lon and Hh flux CFB Rser, AIChE Journal, 47(10): , 2001a. Saakulnkt, B., Hydrodynamcs and Heat Transfer n a Crculatn Fludzed Bed, Ph.D. Dssertaton, The Unversty of New Brunswck, New Brunswck, , Selçuk, N., Akışkan Yatakta Yanma Teknololer, Akışkan Yataklı Kazan Teknololerne Dayalı Buhar- Elektrk Üretm Panel, Ankara, 6-12, Snclar, J. L., Jackson, R., Gas-Partcle Flow n a Vertcal Pe wth Partcle-Partcle Interactons, AIChE Journal, 35(9): , Tahour, F., Ells, N., Won, C., Exermental and Comutatonal Study of Gas-Sold Fludzed Bed Hydrodynamcs, Chemcal Enneern Scence 60: , Toal, H., Dolaşımlı Akışkan Yatağın Hdrodnamk Yanma ve Emsyon Özellklernn Deneysel İncelenmes, Doktora Tez, Gaz Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü, Ankara, 56-66, Torres, E. A. C., Modelln of a Crculatn Fludzed Bed usn Comutatonal Flud Dynamcs Software, M.Sc. Thess, The Unversty of New Brunswck, New Brunswck, 22-30, Tsuo, Y. P., and Gdasow, D., Comutaton of Flow Patterns n Crculatn Fludzed Beds, AIChE Journal, 36(6): ,

13 Verstee, H. K., and Malalasekera, W., An Introducton to Comutatonal Flud Dynamcs, Lonman, Harlow, 41-84, , Zhen, Y., Wan, X., Qan, Z., We, F., and Jn, Y., Numercal Smulaton of the Gas Partcle Turbulent Flow n Rser Reactor based on k-ε-k -ε -Θ Two Flud Model, Chemcal Enneern Scence, 56: ,