GAZ TÜRBÝNÝ YANMA ODASINDA HÝDROJEN VE HÝDROKARBON YANMASININ MODELLENMESÝ VE NO OLUÞUMUNUN ÝNCELENMESÝ. x x

Transkript

1 GAZ TÜRBÝNÝ YANMA ODASINDA HÝDROJEN VE HÝDROKARBON YANMASININ MODELLENMESÝ VE NO OLUÞUMUNUN ÝNCELENMESÝ Mustafa ÝLBAÞ Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliði Bölümü Ýlker YILMAZ Erciyes Üniversitesi, Sivil Havacýlýk Yüksekokulu, Uçak Gövde-Motor Bölümü Filiz ÖZKAN Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliði Bölümü ÖZET Bu çalýþmada, ani geniþlemeli ve konik giriþli geometriye sahip iki farklý gaz türbin yanma odasýnda stokiometrik havayakýt karýþým oranlarý için hidrojen, metan ve propan yanmasýnýn sayýsal akýþkan dinamiði modellemesi yapýlmýþtýr. Yanma odasýnýn tam silindirik ve simetrik olmasý nedeniyle, sayýsal akýþkan dinamiði modellemesi iki boyutlu ve eksenel simetrik olarak yapýlmýþtýr. Modelleme sonucunda sýcaklýk daðýlýmlarý ve No dahil gaz konsantrasyonlarý detaylý olarak elde edilmiþtir. En yüksek sýcaklýk ve NO miktarýnýn hidrojen yanmasý sonucunda oluþtuðu görülmüþtür. Bu sonuçlara göre sýcaklýðýn az olduðu bölgelerde NO emisyon deðerinin, sýcaklýðýn yüksek olduðu bölgelerdeki NO emisyon deðerinden daha düþük olduðu, dolayýsýyla da sýcaklýkla No emisyonu arasýnda doðru orantýlý bir iliþki olduðu tespit edilmiþtir. Gaz türbin yanma odasýnýn stokiometrik hava-yakýt karýþým oranlarýnda nümerik tahmininde maksimum sýcaklýk seviyesinin hidrojen yanmasý durumunda alev bölgesinde 2053 K deðerlerinde meydana geldiði belirlenmiþtir. Bu durumun için NO emisyon seviyelerinin diðer durumlardan daha yüksek olduðu ve yine alev bölgesinde 862 ppm deðerlerinde olduðu belirlenmiþtir. Anahtar Kelimeler: Hidrojen, metan, propan, gaz türbini, yanma ABSTRACT In this study, the combustion of hydrogen, methane and propane have been made by computational fluid dynamics modeling using two different gas turbine combustion chamber which having sudden epansion and conical entry geometrics for stoichiometric air-fuel miture ratio. As the combustion chamber is cylindirical and symetrical, computational fluid dynamics modeling was made two dimensional and ai-symetrical. As a result of modelling, temperature distributions, and gas concentrations including NO emissions have been performed. It was shown that maimum temperature and maimum NO has been occured at the hydrogen combustion. It was also shown that value of NO emissions in low temperature zones are less than the value of NO emissions in high temperature zones. It was obtained that the levels of maimum temperature and maimum NO emission at the hydrogen combustion were 2053 K and 862 ppm, respectively. Keywords: Hydrogen, methane, propane, gas turbine, combustion Giriþ Günümüzde güç üretimi ve havacýlýk uygulamalarýnda önemli bir kullaným alaný çýkýþ sýcaklýklarýný daha lineer elde etmek ve kirletici emisyonlarý en aza indirerek yüksek yanma verimleri saðlamaktýr. Gaz türbinlerinin yanma odalarý, kompresör olan gaz türbinlerindeki deðiþik iþletme tarafýndan saðlanan yüksek miktarlardaki basýnçlý havayý þartlarýndaki yanma iþlemleri sonucu yanma odasý yakýt memesinden püskürtülen yakýt ile yakarak, açýða sýcaklýklarý çok yüksek seviyelere ulaþabilmektedir. Gaz çýkan yanma ürünlerini ve ýsýl enerjiyi yönlendiriciler ile türbinlerinin temel dizayn kriteri olan sýcaklýk daðýlýmý, CO, türbine aktaran önemli bir elemandýr. Boyut ve aðýrlýk gibi NO ve duman gibi önemli parametreler yanma iþlemi ile doðrudan ilgilidir. Bu nedenle, gaz türbin üreticileri yanma çalýþmalarý ile uzun yýllardan beri yakýndan ilgilenmektedirler. Bu çalýþmalarda amaç, yanma odasý sýnýrlayýcý faktörler, bu iþlemlerin sýnýrlý bir hacimde, en az basýnç kaybý ve maksimum ýsý çýkýþý ile gerçekleþtirilmesi gerektirmektedir. Gaz türbinlerinde kullanýlan yanma odalarý birbirlerine benzerlik göstermekle birlikte, temel 35

2 kýsmý yanma odasý boyu ve yanma odasý giriþinde yakýt memelerinin yerleþimi gibi bazý farklýlýklar bulunmaktadýr. Yüksek basýnç, sýcaklýk ve giriþ hýzý gibi çalýþma þartlarý hidrojen, metan, hidrojen-helyum karýþýmlý, hidrojen- yanma odasýnýn performansýna ve verimliliðine önemli miktarda etki etmektedir. Gaz türbin yanma odasýnýn tasarýmý ve çalýþmasý karmaþýk bir iþlemdir. Yanma odasýnýn teorik davranýþý gaz türbinli motorun diðer parçalarýndan çok daha az uyumludur. Gaz türbin karýþýmlý türbülanslý difüzyon alevini nümerik olarak araþtýrmýþlardýr. Nozula yakýn bölgelerde NO seviyeleri tahminlerin altýnda ve alev bölgesinde tahminlerin üstünde bir seyir gösterdiðini belirlemiþlerdir. Chen [6] helyum-metan karýþýmlý yakýtlarýn azotdioksit (NO ) 2 seviyelerini deneysel olarak araþtýrmýþtýr. Hidrojen alevlerinde, helyumla seyreltme miktarýnýn artmasý ile yanmasý, uygun bir deðerde türbin giriþ sýcaklýðýnýn NO 2/NO oraný artmýþ, alev sýcaklýðý ve baþlangýç NO tutulmasý için büyük hava fazlalýk deðerleri ile hidrokarbon seviyeleri azalmýþtýr. NO oluþumunun ýsýl mekanizmadan yakýtýn daimi akýþlý iþlemi olarak düþünülür. Yanma kaynaklandýðý belirlenmiþtir. Karmasi ve Wierzba [7] performansýnýn en önemli durumlarý, yanma verimliliði, metan, hidrojen deðiþik karýþým oranlý metan ve hidrojen alev kararlýlýðý ve kirletici emisyonlardýr. jet difüzyon alevlerinin alev kararlýlýk limitlerini deneysel ve Literatürde hidrojen ve farklý hidrokarbon yakýtlar analitik olarak incelemiþlerdir. Çalýþmada, hidrojen yakýlarak gerçekleþtirilmiþ deneysel ve nümerik çalýþmalar difüzyon alevin metan difüzyon alevlerinden çok daha mevcuttur. Ancak, bu çalýþmalarýn çoðunda kullanýlan büyük kararlý iþletme oranlarýna sahip olduðu belirlenmiþtir. yanma odasý ani geniþlemeli geometriye sahiptir. Ayrýca, Rortveit ve arkadaþlarý [8] karþýt akýþlý bir yakýcýda seyreltilmiþ bu çalýþmalarda farklý ýsýl güçlerin yanma odasý çýkýþ laminer hidrojen alevlerini deneysel ve nümerik olarak incelemiþlerdir. Çalýþmada, ýsýl NO baskýn olduðu ve NO sýcaklýðý ve NO emisyonuna etkisi incelenmemiþtir. Tomczak ve arkadaþlarý [1] deðiþik karýþým oranlarýnda üretiminde yoðun sýcaklýk baðýmlýlýðý belirlenmiþtir. Schefer hidrojen-doðalgaz karýþýmlarý ve saf hidrojen ile beslenen [9] fakir þartlarda hidrokarbon yakýta hidrojen ilavesinin bir gaz türbin yakýcýsýnda difüzyon alevini nümerik ve alev kararlýlýðý üzerindeki etkisini belirlemeye çalýþmýþtýr. deneysel olarak araþtýrmýþlardýr. Saf hidrojen yanmasý Girdaplý alevlerde hidrojen ilavesinin alev kararlýðýnda durumunda en yüksek sýcaklýk deðeri 2330 K, saf önemli bir iyileþme saðladýðýný belirlemiþtir. Ýlbaþ ve doðalgaz yanmasý durumunda ise; 2290 K olduðu tespit arkadaþlarý [10-11] model bir yakýcýda hidrojen, metan ve edilmiþtir. Shudo ve Mizuide [2] küçük bir gaz türbin hidrojen-metan karýþýmlý hibrid yakýt yanmasýný deneysel ve nümerik incelemiþlerdir. Yakýt içeriðinde hidrojen yakýcýsýnda hidrojen yanmasýnýn NO oluþum özelliklerini miktarýnýn artmasý ile sýcaklýk seviyelerinin arttýðýný, buna deneysel ve nümerik olarak incelemiþlerdir. Metan yanmasý ile karþýlaþtýrýldýðýnda hidrojen yanmasýnýn daha baðlý olarak NO emisyon deðerinin de yükseldiðini belirlemiþlerdir. Ayrýca, çalýþmalarýnda yakýt karýþýmýndaki düþük NO emisyonuna sahip olduðunu belirlemiþlerdir. metan içeriðinin artmasý ile CO emisyonunun arttýðýný, Schefer ve Oefelein [3] hidrojence zengin yakýtlar alev boyu ve radyasyonla ýsý kaybýnýn arttýðýný tespit kullanarak gaz türbin emisyonlarýnýn azaltýlmasýna yönelik etmiþlerdir. deneysel çalýþma yapmýþlardýr. Hidrokarbon yakýta %65'in Bu çalýþmada, ani geniþlemeli ve konik giriþli üzerinde hidrojen ilavesi ile NO emisyonlarýnýn düþük geometriye sahip iki farklý gaz türbin yanma odasý seviyelere indirileceðini ve CO 2 miktarýnda azalmalar geometrisinde stokiometrik hava-yakýt karýþým oranlarý saðlanacaðýný belirlemiþlerdir. Zhou ve arkadaþlarý [4] için hidrojen, metan ve propan yanmasýnýn sayýsal detaylý kimyasal bir model kullanarak türbülanslý hidrojenakýþkan dinamiði modellemesi yapýlmýþtýr. Yanma hava difüzyon alevini nümerik olarak araþtýrmýþlardýr. odasýnýn tam silindirik ve simetrik olmasý nedeniyle, Fairweather ve Woolley [5] hidrojen ve hidrojen-helyum sayýsal akýþkan dinamiði modellemesi iki boyutlu ve 36

3 eksenel simetrik olarak dikkate alýnmýþtýr. Modelleme sonucunda sýcaklýk daðýlýmlarý ve NO dahil gaz konsantrasyonlarý detaylý olarak elde edilmiþtir. Gaz Türbini Yanma Odasý ve Nümerik Ýncelenmesi Nümerik tahminlerde kullanýlan iki farklý temel geometrideki gaz türbin yanma odasý modelleri þekil a ve b'de verilmiþtir. Yanma odasý içerisindeki türbülanslý reaksiyon akýþý, stokiometrik karýþým oranlarýnda iki farklý hidrokarbon yakýt (metan ve propan) ile hidrojen yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmlarý Ani geniþlemeli (birinci model) ve konik giriþli (ikinci model) gaz türbin yanma odasýnda stokiometrik hava- yakýt karýþým oranlarý için sayýsal akýþkan dinamiði ile elde edilen sýcaklýk daðýlýmlarý Þekil 1-6'da verilmiþtir. Yanma odasý çýkýþ kesiti için sýcaklýk daðýlýmlarý birinci model için Þekil 7' de ve ikinci model için de Þekil 8' de sunulmuþtur. Birinci model için sýcaklýk daðýlýmlarý incelendiðinde; metan yanmasý için maksimum sýcaklýk seviyesinin 1769 K deðerinde oluþtuðu Þekil 1'de görülmektedir. Birinci model için sonlu hacimler tekniði ile çözüm yapan sayýsal akýþkan dinamiði çözücüsü FLUENT [12] programý kullanýlarak incelenmiþtir. Nümerik çözüme baþlamadan önce çözümün grid e baðýmlý olmamasý için nümerik grid testleri yapýlmýþtýr. Yanma odasýnýn tam silindirik ve simetrik olmasý nedeniyle, modelleme iki boyutlu ve eksenel simetrik olarak gerçekleþtirilmiþtir. Çalýþmada kullanýlan her iki model için gaz türbini yanma odasýnýn uzunluðu, L=2000 mm., çapý 600 mm. ve yakýt giriþ kesit çapý 20 mm. olarak alýnmýþtýr. Ani geniþlemeli (birinci model) yanma odasý için hava giriþ kesiti çapý 580 mm., konik giriþli (ikinci model) yanma odasý için ise; hava giriþ kesiti çapý 380 mm. deðerlerinde alýnmýþtýr[13]. Nümerik Sonuçlar Hava giriþi Yakýcý Duvarý Yanma Odasý Yakýt giriþi a)- Ani Geniþlemeli (birinci model) b)- Konik Giriþli (ikinci model) Gaz Türbini Yanma Odasý(birinci model) (b) 37

4 Þekil 1. Metan Yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Birinci Model. için en yüksek sýcaklýk deðerinin 1956 K ile hidrojen yanmasý sonucu oluþtuðu Þekil 2'den, en düþük sýcaklýk seviyesinin ise; 1630 K ile propan yanmasý durumunda oluþtuðu Þekil 3'den anlaþýlmaktadýr. Hidrojen yanmasýnda alev bölgesinin diðerlerine göre daha uzun olduðu görülmektedir. Ýkinci model için sýcaklýk daðýlýmlarý incelendiðinde; birinci modelde olduðu gibi 1958 K ile en yüksek sýcaklýk deðerinin yine hidrojen yanmasý sonucu oluþtuðu Þekil 5'de görülmektedir. En düþük sýcaklýk ise 1671 K ile propan yanmasý sonucu meydana geldiði Þekil Þekil 2. Hidrojen Yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Birinci Model. Þekil 5. Hidrojen Yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Ýkinci Model. 6'dan anlaþýlmaktadýr. Ýki model arasýnda, ayný yakýtlarýn yanmasýyla oluþan sýcaklýk daðýlýmlarýnda benzerlik görülmektedir. Hidrojen yanmasýnda elde edilen sonuçlar birbirine çok yakýndýr. Metan ve propan yanmasýnda ise; ikinci modelde sýcaklýklarda ve buna baðlý olarak NO emisyonlarýnda bir miktar artýþ meydana gelmiþtir. Þekil 3. Propan Yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Birinci Model. Þekil 6. Propan Yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Ýkinci Model. Þekil 7'de birinci model için hidrojen, metan ve Þekil 4. Metan Yanmasý Ýçin Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Ýkinci Model. 38 propanýn çýkýþ sýcaklýklarý karþýlaþtýrýlmýþtýr. En yüksek çýkýþ sýcaklýðý 1040 K ile hidrojen yanmasýnda oluþmuþtur.

5 Hidrojen Metan Propan ÇIKIÞ SICAKLIÐI RADYAL UZUNLUK Þekil 7. Yakýtlarýn Çýkýþ Sýcaklýklarý, Birinci Model. Metan yanmasýnda çýkýþ sýcaklýðý 860 K ve propan Ýlbaþ ve arkadaþlarýnýn [11] sayýsal olarak elde ettikleri yanmasýnda ortalama çýkýþ sýcaklýðý 710 K'dýr. Tomczak'ýn sonuca göre de yakýcý çýkýþýnda elde edilen ortalama [13] deneysel çalýþmasýnda hidrojen yanmasý sonucu sýcaklýk 1367 K'dir. Sýcaklýk daðýlýmlarý bu çalýþmalarda elde yakýcý çýkýþýnda ortalama sýcaklýk 1212 K olarak ölçülmüþtür. edilen sýcaklýk daðýlýmlarýna benzer eðilimler Hidrojen Metan Propan ÇIKIÞ SICAKLIÐI (K) RADYAL UZUNLUK (m) Þekil 8. Yakýtlarýn Çýkýþ Sýcaklýklarýnýn Karþýlaþtýrýlmasý, Ýkinci Model. 39

6 göstermektedir. Þekil 8'de ikinci model için hidrojen, metan ve propanýn çýkýþ sýcaklýklarý karþýlaþtýrýlmýþtýr. En yüksek çýkýþ sýcaklýðý 1045 K ile hidrojen yanmasýnda oluþmuþtur. Metan yanmasýnda çýkýþ sýcaklýðý 890 K ve propan yanmasýnda ortalama çýkýþ sýcaklýðý 760 K'dýr. Þekil 9'da ani geniþlemeli (birinci model) için farklý ýsýl güçlerdeki (Q= 40 kw, Q =100 kw, Q=150 kw) hidrojen yakýtý için çýkýþ sýcaklýklarý karþýlaþtýrýlmýþtýr. Maksimum çýkýþ hava fazlalýðý ile deðiþim göstermektedir. Þekil 10' da konik giriþli (ikinci model) yanma odasý durumunda metan yanmasý için CO emisyonu daðýlýmlarý sunulmuþtur. Maksimum CO emisyonu yanma odasý ortasýnda oluþmuþtur. Ayný model için sýcaklýk, NO ve CO emisyon daðýlýmlarý incelendiðinde sýcaklýðýn arttýðý bölgelerde NO de artmalar gözlenirken, CO emisyonunda azalma görülmektedir. Ýyi bir yanmayla Q = 150 kw Q = 100 kw Q = 40 kw I Þ C I (K) Ç KI SI AKL ÐI RADYAL UZUNLUK (m) Þekil 9. Farklý Isýl Güçlerdeki Çýkýþ Sýcaklýklarýnýn Karþýlaþtýrýlmasý, Birinci Model. sýcaklýklarý, simetri ekseninde (r=0'da) oluþmuþtur. r=0'da Q = 40 kw için T= 710 K, Q=100 kw için T= 1040 K, Q=150 kw için ise; T= 1080 K' dir. Çýkýþ sýcaklýklarý simetri ekseninden yanma odasý duvarýna doðru gidildikçe azalmaktadýr. R = 0.3 m.'de Q = 40 kw için T= 500 K, Q=100 kw için T= 780 K, Q=150 kw için ise; T= 900 K'dir. CO ve CO Emisyon Daðýlýmlarý 2 CO emisyon deðeri; yanma sonu sýcaklýðý, yanma verimi, su buharý miktarý ve NO emisyon oluþumu ve Þekil 10. Metan Yanmasý için CO Daðýlýmý, Ýkinci Model 40

7 CO emisyonunda düþmeler görülürken, sýcaklýkta da artýþ görülmektedir. Þekil 11'de konik giriþli (ikinci model) yanma odasýnda metan yanmasý sonucu oluþan CO 2 emisyonu daðýlýmlarý görülmektedir. Maksimum Co 2 emisyonu çýkýþa yakýn bölgede oluþmaktadýr. Þekil 14. Metan Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Birinci Model de gösterilmiþtir. Birinci model için NO daðýlýmlarý incelendiðinde en yüksek NO emisyon seviyesinin hidrojen yanmasý sonucu oluþtuðu görülmektedir. Þekil 11. Metan Yanmasý Ýçin CO 2 Daðýlýmý, Ýkinci Model NO Emisyon Daðýlýmý Ani geniþlemeli ve konik giriþli gaz türbinli yanma odasý modelleri için NO emisyon daðýlýmlarý metan yanmasý için Þekil 12 ve 13'de, hidrojen yanmasý için Þekil 14 ve 15' de ve propan yanmasý için ise; Þekil 16 ve 17' Minimum NO emisyon deðeri ise; propan yanmasý sonucu oluþmuþtur. NO emisyon miktarý sýcaklýða baðlý olarak deðiþmektedir. Þekil 14' de ani geniþlemeli yanma odasýnda hidrojen yanmasý için NO emisyonu daðýlýmý incelendiðinde; en fazla NO deðerinin, sýcaklýðýn maksimum olduðu giriþe yakýn bölgede oluþtuðu görülmektedir. Konik giriþli (ikinci model) geometride elde edilen NO emisyonu daðýlýmlarý ani Þekil 12. Metan Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Birinci Model Þekil 15. Hidrojen Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Ýkinci Model Þekil 13. Metan Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Ýkinci Model Þekil 16. Propan Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Birinci Model 41

8 geniþlemeli (birinci model) geometridekine benzerlik göstermektedir. NO emisyonu miktarýnda sýcaklýða baðlý olarak az miktarda artýþ vardýr. En yüksek NO miktarý hidrojen yanmasý sonucunda 862 ppm Þekil 17. Propan Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Ýkinci Model deðerinde alev bölgesinde oluþmuþtur. En düþük NO miktarý ise; propan yanmasý sonucu deðerinde oluþmuþtur. 246 ppm Konik giriþli yanma odasýnda kullanýlan üç farklý yakýtýn yanma odasý çýkýþ kesitindeki NO emisyon deðerleri Þekil 18'de karþýlaþtýrýlmýþtýr. Çýkýþ Hidrojen Metan Propan bölgesindeki en yüksek NO emisyon deðeri 570 ppm ile hidrojen yanmasý sonucu Ç I KI Þ TAKI N O MÝKTA R I ( pp m) Þekil 18. Yakýtlarýn Çýkýþtaki NO Miktarlarý (ppm), Ýkinci Model. Ç I KI Þ TAKI N O MÝKTA R I ( pp m) RADYAL UZUNLUK (m) RADYAL UZUNLUK (m) Hidrojen Metan Propan Þekil 19. Yakýtlarýn Çýkýþtaki NO Miktarlarý (ppm), Birinci Model. oluþmuþtur. Çýkýþtaki en düþük NO emisyon deðeri ise; propan yanmasý sonucunda oluþmuþtur. Ani geniþlemeli yanma odasý durumunda üç farklý yakýtýn yanma odasý çýkýþ kesitindeki NO emisyon deðerleri ise; Þekil 19' da sunulmuþtur. Çýkýþ bölgesindeki en yüksek NO emisyon miktarý 630 ppm ile hidrojen yanmasý sonucu oluþmuþtur. Çýkýþtaki en düþük NO emisyonu ise; propan yanmasý sonucunda oluþmuþtur. Benzer yanma odasý için yapýlan NO tahmininde Ýlbaþ ve arkadaþlarý [11] hidrojen yanmasý sonucunda NO miktarýný çýkýþta 537 ppm olarak elde etmiþtir. Ayrýca, NO emisyon daðýlýmlarý birbirine benzerlik göstermektedir. Þekil 20'de ani geniþlemeli yanma odasýnda farklý ýsýl güçlerde (Q= 40 kw, Q =100 kw, Q=150 kw) hidrojen yakýtý için çýkýþtaki NO deðerleri karþýlaþtýrýlmýþtýr. Yanma odasý çýkýþýndaki NO seviyelerinde radyal uzunluk boyunca fazla bir deðiþim görülmemektedir. Yaklaþýk olarak Q = 40 kw için NO = 350 ppm, Q=100 kw için NO =580 ppm, Q=150 kw için ise; NO = 950 ppm' dir. 42

9 Q = 150 kw Q = 100 kw Q = 40 kw ÇIKIÞ T AKI NO MÝ K TARI ( pp m ) RADYAL UZUNLUK (m) Þekil 20. Farklý Isýl Güçlerdeki Çýkýþ NO Miktarlarýnýn Karþýlaþtýrýlmasý, Birinci Model Hidrojen ve metan yanmasý için ani geniþlemeli ve konik giriþli geometriye sahip gaz türbin yanma odasý nümerik tahminleri literatürdeki benzer çalýþmalarla karþýlaþtýrýlmýþtýr. Bu çalýþmadan elde edilen maksimum sýcaklýk, çýkýþ sýcaklýðý, CO emisyonu ve NO emisyon daðýlýmlarý Ýlbaþ ve Yýlmaz [10], Ýlbaþ ve arkadaþlarý [11] tarafýndan elde edilen deneysel ve nümerik sonuçlarla uyum içinde olduðu tespit edilmiþtir. Sonuçlar ve Öneriler Sunulan çalýþmada, ani geniþlemeli ve konik giriþli olmak üzere iki farklý geometriye sahip gaz türbin yanma odasý modelinde sayýsal akýþkan dinamiði çözücüsü ile Nümerik tahminlerden, maksimum sýcaklýðýn hidrojen yanmasý durumunda alev bölgesinde 2053 K deðerinde meydana geldiði belirlenmiþtir K' yý geçen yüksek sýcaklýklarda hava içerisinde bulunan N 2 gazýnýn oksijenle reaksiyona girmesi sonucu NO olarak adlandýrýlan azot oksitler oluþmaktadýr. Þekil 14 ve þekil 15' de yanma odasý birinci ve ikinci modeli için hidrojen yanmasý sonucu oluþan NO emisyonu daðýlýmýnýn maksimum deðeri alev bölgesinde 862 ppm deðerinde oluþtuðu görülmektedir. Ýki farklý yanma odasý geometrisi için üç farklý yakýtýn yanmasýndan elde edilen NO emisyon daðýlýmlarý sýcaklýk daðýlýmlarýna benzerlik göstermiþtir. Sýcaklýðýn yüksek olduðu türbülanslý reaksiyon akýþý nümerik olarak araþtýrýlmýþtýr. bölgelerde NO deðerinin de yüksek olduðu Çalýþmada; stokiometrik hava-yakýt karýþýmý için metan, hidrojen ve propan yanmasý durumunda sýcaklýk daðýlýmlarý, gaz konsantrasyonlarý ve NO emisyon daðýlýmlarý detaylý olarak elde edilmiþtir. Ayrýca, yanma odasýnda farklý ýsýl güçlerde alevlerin oluþmasý temin edilerek, ýsýl gücün çýkýþ sýcaklýðý ve NO emisyonu üzerindeki etkisi araþtýrýlmýþtýr. belirlenmiþtir. Bütün çalýþma durumlarýnda yakýtýn yanma odasý çýkýþýnda tamamen tükendiði görülmüþtür. Böylelikle, yakýtýn tamamen yandýðý ve çalýþýlan durumlarýn bütününde tam yanma olduðu görülmektedir. Ayný zamanda hidrojenin, metan ve propana göre daha çabuk tükendiði görülmüþtür. Bu durumun hidrojenin 43

10 difüzivitesinin yüksekliðinden dolayý yanma iþleminin 4. Zhou,., Sun, Z., Brenner, G., Durst, F., Combustion daha çabuk baþladýðý ve reaksiyon zamanýnýn daha Modeling of Turbulent Jet Diffusion H2/air Flame With kýsa olmasýndan kaynaklanmýþtýr. Ani geniþlemeli gaz Detailed Chemistry, International Journal of Heat and türbin yanma odasýnýn köþe kýsýmlarýna yanma sonu Mass Transfer, V.43, pp , Fairweather, M., Woolley, R.M., First-order Conditional sýcak gazlarýn ilerlemesi ile ölü sýcaklýk bölgeleri Moment Closure Modeling of Turbulent, Nonpremied oluþacaktýr. Bu bölgeler, yanma odasý çýkýþ sýcaklýðýný ve Hydrogen Flames, Combustion and Flame, V.133, gaz konsantrasyon deðerlerini etkileyeceðinden yanma pp , verimi deðiþecektir. Bu nedenle, konik giriþli gaz türbin yanma odasý geometrisinde köþe kýsýmlardaki ölü sýcak bölgelerin oluþumu önleneceðinden alev çýkýþa doðru yönlendirilerek türbin giriþinde daha doðrusal bir sýcaklýk profili elde edilecektir. Ayný yakýtlar için >1 ve <1 olduðu zengin ve fakir hava-yakýt karýþým oranlarýnda çalýþma geniþletilerek stokiometrinin ( ); sýcaklýk daðýlýmý ve NO emisyonu üzerine etkisi incelenebilir. Literatürde gaz yakýt yakýlarak gerçekleþtirilmiþ deneysel çalýþma çok sýnýrlý sayýdadýr. Bu bakýmýndan çalýþma deneysel olarak gerçekleþtirilip, elde edilen sonuçlar ile nümerik tahminlerin karþýlaþtýrýlmasýnýn yapýlmasý hidrojen, metan ve propan yanmasý ile ilgili daha detaylý bilgiler edinilmesini saðlayacaktýr. Teþekkür Bu çalýþma, TÜBÝTAK tarafýndan 105M037 nolu 6. Chen, R.H., A Parametric Study of NO2 Emission from Turbulent H2 and CH4 Jet Diffusion Flames, Combustion and Flame, V.112, pp , Karmasi, M., Wierzba, I., The effect of Hydrogen Addition on the Stability Limits of Methane Jet Diffusion Flames, International Journal of Hydrogen Energy, V.23, pp , Rortveit, G.J., Hustad, J.E., Li, S.C., Williams, F.A., Effects of Diluents on No Formation in Hydrogen Counterflow Flames, Combustion and Flame, V.130, pp , Schefer, R.W., Hydrogen Enrichment for Improved Lean Flame Stability, International Journal of Hydrogen Energy, V.28, pp , Ýlbaþ, M., Yýlmaz, Ý., Model Bir Yakýcýda Yanma ve Emisyon Davranýþýnýn Deneysel Ýncelenmesi, Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araþtýrma Projesi, Kesin Rapor, Proje No: EUBAP-03-50, Aralýk Ýlbaþ, M., Yýlmaz, Ý., Veziroðlu, T.N., Kaplan, Y., Hydrogen as Burner Fuel: Modelling of Hydrogen-hydrocarbon Composite Fuel Combustion and NO Formation in Small Burner, International Journal of Energy Research, V.29, Bilimsel Araþtýrma projesi kapsamýnda desteklenmiþtir. pp , Yazarlar destek için TÜBÝTAK' a teþekkür ederler. 12. FLUENT 6. Fluent Incorporated. Vol Kaynakça 1. Tomczak, H-J, Benelli, G., Carrai, L., Cecchini, D., Investigation of a Gas Turbine Combustion System Fired With Mitures of Natural Gas and Hydrogen, IFRF Combustion Journal, Article Number , Shodu, T., Mizuide, T., NO Emission Characteristics in Rich-Lean Combustion of Hydrogen, JSAE Review, V.23, pp. 9-14, Schefer, R., Oefelein, J., Reduced Turbine Emissions Using Hydrogen-Enriched Fuels, FY 2003 Progress Report, Sandia National Laboratories, Livermore, USA. 13. Hýrkalýoðlu, F., Gaz Türbini Yanma Odasýnda Hidrojen ve Hidrokarbon Yanmasýnýn Modellenmesi ve NO Oluþumunun Ýncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi, Ekim