Isı Blm ve Tenğ Dergs, 3, 1, 45-57, 21 J. of Thermal Scence and Technology 21 TIBTD Prnted n Turey ISSN 13-3615 HİDROJEN-METAN KARIŞIM YANMASINDA YANMA MODEL SABİTİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ İler YILMAZ *, Mustafa İLBAŞ ** * Ercyes Ünverstes, Svl Havacılı Yüseoulu, Uça Gövde-Motor Bölümü, 3839, Kayser ** Gaz Ünverstes, Tenoloj Faültes, Beşevler, 65 Anara (Gelş Tarh: 17. 3. 29, Kabul Tarh: 17. 8. 29) Özet: Bu çalışmada, on grşl br yanma odasında türbülanslı hdrojen-metan arışım alevnn Fluent hesaplamalı aışanlar dnamğ programı yardımıyla sayısal smülasyonu yapılmıştır. Sunulan çalışmanın amacı; hdrojen-metan arışımlı yaıtın sayısal smülasyonun da deneysel ölçümlerle uyumlu yanma model sabtnn belrlenmesdr. Sayısal smülasyonda hacmsel olara %3 hdrojen ve %7 metan ompozt yaıt ullanılara %2 hava fazlalı değernde ve 4 W ısıl güç çn sonuçlar elde edlmştr. Ayrıca, sayısal smülasyonda hdrojen mtarının emsyonlar üzernde etsnn belrlenmes çn %7 hdrojen ve %3 metan çeren arışım yaıtı da ullanılmıştır. Karışım yaıtının sayısal smülasyonunda farlı yanma model sabt değer (4 ve 1) ullanılmıştır. En uygun yanma model sabtnn belrlenmesnde sıcalı, NOx, CO ve CO 2 ölçüm değerler smülasyon sonuçları le arşılaştırılmıştır. Ayrıca sayısal smülasyondan elde edlen hız, sıcalı ve gaz ompozsyonlarının dağılımları verlmş ve çalışmada tartışılmıştır. Çalışmada ullanılan hdrojen-metan arışımlı ompozt yaıt yanmasının yanma model sabt değernn 1 alınması durumunda deneysel değerlere daha yaın tahmn değerlernn elde edldğ tespt edlmştr. Anahtar Kelmeler: Hdrojen-metan, Yanma model sabt, Sayısal smülasyon. EVALUATION OF COMBUSTION MODEL CONSTANT IN COMBUSTION OF HYDROGEN-METHANE MIXTURE Abstract: In ths study, the numercal smulaton of turbulence hydrogen-methane blendng flame was performed by usng the CFD code Fluent n a concal entry combuston chamber. The man am of the presented study s to determne the best combuston model constant to be agree wth expermental measurements n numercal smulaton of the hydrogen-methane blendng fuels. In the numercal smulaton, the fuel ncludng 3% hydrogen and 7% methane by volumetrcally, 4 W thermal power, and 2% of excess ar was used. In addton, the fuel mxture of 3% hydrogen and 7% methane by volumetrcally was also used to determne the effect of hydrogen amount on the emssons ncludng NOx, CO ve CO 2 n the numercal smulaton. Numercal smulatons of the blended fuel, two dfferent values (A=4 and A=1) of the combuston model constant A were used. In order to determne the most sutable combuston model constant, temperature, NOx, CO, and CO 2 measurement values were compared wth numercal results. The velocty, temperature and gas composton dstrbutons obtaned from numercal smulaton were also gven and dscussed n ths paper. In numercal smulatons of the hydrogen-methane blended fuel combuston, t s determned that the predctons for combuston model constant of 1 are closer to expermental values compared wth the predctons for combuston model constant of 4. Keywords: Hydrogen-methane, Combuston model constant, Numercal smulaton. SEMBOLLER A C C j C µ arrhenus üs fatörü sabt reatantların molar onsantrasyonu [mol/m3] RNG - ε model sabt C RNG - ε model sabt 1ε C RNG - ε model sabt 2ε C özgül ısı [j/g K] p E G h ç atvasyon enerjs [J/mol-K] türbülans net enerj üretm ısı taşınım atsayısı [W/m 2 -K] türbülans net enerj ısı letm atsayısı [W/m-K] L yanma odası uzunluğu [m] m ütle esr M moleül ağırlığı [g/mol] q duvardan çevreye ısı aısı [W/m 2 ] d R reasyon oranı [g/m 3 s -1 ] R yanma odası yarıçapı [m] 45
R r r 1 r 2 S S j ünversal gaz sabt [J/mol-K] radyal mesafe [m] yaıt grş yarıçapı [m] hava grş yarıçapı [m] şel değşm tensörünün ortalama oran modülü ortalama şel değşm oranı T sıcalı [K] u hız [m/s] v r radyal hız [m/s] v z esenel hız [m/s] ν reatantlar çn stoometr atsayı ν ürünler çn stoometr atsayı ν reasyonunda türünün stoometr, atsayısı ν j türü onsantrasyon üssü x Y z j, mesafe [m] myasal tür esenel mesafe [m] Yunan Alfabes α, nvers efetf prandtl sayıları α ε β χ ε ε sıcalı üssü ε denlemnde lave term türbülans net enerj dağılım oranı RNG - ε model sabt yayılım atsayısı ε d σ stefan boltzmann atsayısı [W/m 2 K 4 ] µ dnam vzozte [g/ms] ρ arışımın yoğunluğu [g/m 3 ] Alt İndsler ç çevre d duvar eff efetf h hava, j tensör notasyon ndsler n grş j hücre numarası reasyon numarası P yanma ürünü r radyal R reasyona grenler t türbülans y yaıt z esenel GİRİŞ Yaşamımız çn enerjnn ullanımı ve üretm gereldr. Enerj, sosyal alınma ve eonom büyüme çn br grddr. İnsanoğlunun temel htyaçları olan aydınlanma, pşrme, ısıtma, soğutma ve ulaşım enerjnn ullanımı yoluyla arşılanmatadır. Ayrıca, enerj endüstr nn bütün setörlernde rt üretm fatörüdür. Günümüzde fosl yaıtlar (ömür, fuel-ol vb.) temel enerj aynağıdır. Dünya üzernde sınırlı fosl yaıt rezervler, blm adamlarını fosl yaıtın yern alaca yen aynalara ve varolan mevcut aynaların verml ullanılması çn araştırmalara yöneltmştr (Yılmaz, 26). Son yıllarda hdrojen-hdroarbon ompozt yaıtlar endüstryel yanma uygulamalarında enerj temn çn artan br lgyle arşı arşıyadır. Hdroarbon öenl yaıtların (doğalgaz, ömür vb.) far arışım şartlarında yanması düşü rletc emsyon ve üstün yanma özelller vermetedr. Bununla brlte, hdroarbon yaıtların büyü br ısmının yüse olan far arışımlı alevlenme lmtler, far arışım bölgesnde ararlı yanma şartlarına ço zor ulaşılmasına neden olmatadır. Bunun asne, ço far arışımlarda düşü alevlenme lmt ve far arışımlı yanması le hdrojen olduça cazptr. Düşü hacmsel yoğunluğundan dolayı depolama zorluları, ger parlama gb proplemler, prat yanma uygulamalarının çoğunda hdrojen ullanımını zorlaştırmatadır. Bu durumlardan hareetle, hdrojen-hdroarbon ompozt yaıt, yanma sstemlernde ullanılablece cazp br çözüm olmatadır. Lteratürde yanma çalışmaları ncelendğnde genellle hdroarbon yaıtların ullanıldığı görülmetedr(ilbaş, 1997; Kaname, 1994; Schaler and Obernberger, 2; Schaler ve dğ., 21, Spangelo, 24). Hdrojen-metan arışımlı ompozt yaıtların ullanıldığı çalışmalar nsbeten sınırlıdır (Yılmaz ve İlbaş, 28; Yılmaz, 26; İlbaş, 25; İlbaş ve dğ., 25; İlbaş ve dğ., 25). Slon yaıcıda doğalgaz yanması çn yanma model sabt A nın 1 e yaın değerlerde olması durumunda deneysel değerlere uygun sonuçlar elde edldğ görülmüştür(ilbaş, 1997; Kaname, 1994). Izgaralı yaıcılarda byoütlenn yanmasında ullanılan yanma model sabtnn A nın,6-1 arasında alınmasının daha uygun sonuçlar verdğ tespt edlmştr (Schaler and Obernberger, 2; Schaler ve dğ., 21). Konu le lgl daha ayrıntılı lteratür (Yılmaz, 26) da bulunmatadır. Daha önce hdrojen-metan arışımlı ompozt yaıt yanmasını çeren sayısal çalışmalar ncelendğnde sıcalı ve gaz ompozsyonları üzernde öneml br etye neden olan yanma modelnde sabtnn ullanılan programda varsayılan değernde ullanıldığı ve herhang br düzenleme yapılmadığı görülmetedr. Bu durum se; sayısal smülasyon sonuçlarının ölçüm değerlernden sapmasına yolaçara, smülasyon sonuçlarının abuledleblr sınırlardan uzalaşmasına neden olmatadır. Bu nedenle yanma smülasyonlarında daha doğru ve gerçeğe yaın sonuçların elde edleblmes çn ullanılan yanma modelnde sabtn düzenlenmes geremetedr. Daha önce çalışmalarda hdrojen-metan arışımlı yaıt yanmasının smülasyonu çn ullanılan yanma modelnde sabtn sıcalı, aış ve emsyon değerlerne ets ncelenmemştr ve ullanılan model sabtnn değer (genellle 4) uygun olup olmadığı araştırılmamıştır. Bu durum sunulan 46
çalışmanın motvasyonunu oluşturmata olup, bu alanda boşluğu doldurmayı amaçlamatadır. Bu çalışmada, hdrojen-metan arışımlı ompozt yaıt yanmasında yanma model sabtnn sıcalı dağılımı ve emsyonlar üzernde ets deneysel ölçüm değerler le arşılaştırılmış ve ullanılan yaıt çn yanma model sabtnn değer belrlenmştr. Sayısal smülasyonun doğruluğu daha önceden yazarlar tarafından yapılmış çalışmalarla belrlendğnden (Yılmaz, 26; İlbaş, 25; İlbaş ve dğ., 25; İlbaş ve dğ., 25), ayrıca bu çalışmada sayısal smülasyon sonuçlarının doğruluğu test edlmemştr. En uygun yanma model sabtnn belrlenmesnde yazarlar tarafından aynı şletme şartlarında alınan termoapıl sıcalı ölçüm değerler ve gaz analzör emsyon ölçüm değerler ullanılmıştır(yılmaz, 26). Çalışmada, onu le lgl lteratür araştırması grş bölümünde, smülasyon detayları bölüm 2 de, sayısal ve deneysel sonuçların arşılaştırması ve tartışma bölüm 3 de ve sonuçlar se; son bölümde sunulmuştur. YANMANIN SAYISAL SİMÜLASYONU Smülasyonda ullanılan matematsel model; ütle, momentum, enerj ve saler değşenler çn taşınım denlemlernn sayısal çözümüne dayanmatadır. Hdrojen-metan ompozt yaıt yanmasında türbülanslı reasyon aışının boyutlu, esenel smetr ve sııştırılablr aış denlemler FLUENT sonlu hacmler programı yardımıyla çözüldü. FLUENT programı ullanıcıya genş modelleme apasteler veren alt modeller ve sınır şartları sunmatadır (Fluent, 22). Kullanılan program ve smülasyon şlemnn detayları (Yılmaz, 26) da bulunablr. Yanma smülasyonunda yaıt ve havanın arışımı çn uygun br türbülans modelnn ullanılması gereldr. Sunulan çalışmada düşü grdaplı aış söz onusu olduğundan ve bu tp aışlar çn uygun olan RNG -ε türbülans model seçlmştr. RNG -ε modelde türbülans net enerjs () ve dağılım oranı (ε) aşağıda taşınım denlemlernn Fluent programı yardımıyla teratf olara çözülmes le belrlenmştr (Yılmaz, 26): ( ρu ) = α µ + G ρε eff ε ( ρu ε) = α µ + ( C G C ρε χ ε ε eff 1ε 2ε (1) ) (2) α ve α ε Denlem 1 ve 2 den ε o = 1 olara elde edlr. α o = µc t p 2 (4) G = µ S (5) 3 η η 1 2 ε C η χ = µ ρ (6) 3 1+ βη Burada S değer şel değşm tensörünün ortalama oran modülünü fade etmetedr. Bu değer aşağıda gb tanımlanablr. S = 2S j S j (7) 1 u u j S = + j (8) 2 j η = S x (9) ε Burada η o = 4,38 ve β =,12 dr. RNG -ε modelde ullanılan µ, C1 ε ve C 2ε değerler model sabtlern göstermetedr. Sayısal smülasyonda bu sabtlern tablo 1 de verlen değerler ullanılmıştır. Tablo 1. RNG - ε Modelde Kullanılan Sabtler (Fluent, 22). Sabt α C µ C 1ε 2ε C C Değer,845 1,42 1,68 1 Sınır Şartları Sayısal smülasyonda yaıt ve hava grşlerde aışan mtarları, sıcalı, türbülans yoğunluğu le türbülans araterst uzunluğu ve ompozsyonu tanımlama üzere ütle aış grş, yanma odası üst, on duvarlar le yaıt hava arasında nozul çn duvar sınır şartları tanımlanmıştır. Çıış çn, basınç çıışı tanımlanmıştır. Yanma odası smetr esennde esen sınır şartı tanımlanmıştır. Fzsel alan esenel yönde smetr olduğundan hesaplama alanının her tarafında uygun sınır şartlar aynıdır. Sayısal smülasyonda ullanılan sınır şartlar denlem 1-15 de verlmştr. α 1,3929 α,6321 α + 2,3929 o 1,3929 α o + 2, 3929,3679 = µ µ eff (3) Yanma odası grşnde (z=): < r < r = (1-a) 1, v r =, v z = v y, T = Tn, Y Yn 47
r < r < r, v =, v = v, T = T, Y Y (1-b) 1 2 r z h n = Yanma odası çıışında: v v Y T, z =, =, = z z z r = (11) Yanma odası smetr esennde (r=): v v Y T, z =, =, = r r r r = (12) Yanma odası ç duvarında (r=r, < z L ): T vr =, vz =, = (13) z Yanma odası dış duvarında (z=, < r < R ): Y v r = vz =, =, T = Td (14) z q = h T T + εσ T T 4 4 d ç d ç d d ç Denlem 15 de h ç ısı taşınım atsayısını, r 2 n (15) duvardan çevreye olan ısı aısını, duvar yayılımını, duvar sıcalığını ve çevre sıcalığını göstermetedr. q d εd T ç Td Kon grşl yanma odası, parçalı olara flanşlı bağlantı le brleştrlmştr ve geometrs Şel 1 de verlmştr. Kon ısmın uzunluğu L 1 =,4 m, dğer düz ısmın uzunluğu se 1 m olara seçlmş olup, toplam yanma odası uzunluğu 1,4 m dr. Yanma odası yarıçapı se yanma odası boyuna ve lteratürde yanma odası yarıçapları (hdroarbon yaıtlar çn,25-,3 m) date alınara R=,25 m olara alınmıştır. Yaıt ve hava jet grş yarıçapı sırasıyla r 1 =,5 m ve r 2 =,15 m değerndedr. Yaıt jet le hava jet,2 m br nozul le ayrılmıştır. Bu değerler belrlenren deneysel çalışmalarda ullanılan brülörün şletme şartı ve yanma odasının farlı esenel mesafelernde radyal ölçüm değerlernn belrlenmes durumları da ayrıca gözönünde bulundurulmuştur. Grdap Ayrışma Model (Magnussen Model) Sunulan çalışmada hdrojen-metan arışımlı ompozt yaıt yanması çn yanma lteratüründe grdap ayrışma model (Magnussen model) olara adlandırılan yanma model ullanılmıştır. Bu model, önarışımlı, ısm önarışımlı ve dfüzyon yanma problemler çn ullanılablmetedr. Bu model y tahmnler yapablmele brlte tahmnlern altes ullanılan yanma model sabtnn değerne öneml derecede bağlıdır. Ayrıca tahmnlern doğruluğu smülasyonda ullanılan türbülans modelden de etlenmetedr (Versteeg ve Malalaseera, 1995). Türbülanslı myasal yanma reasyonunun sayısal çözümlemesnn hem reasyon oranını hem de türbülanslı arışım zamanını çermes çn sayısal hesaplamalarda türbülans arışım oranı Magnussen modeln ullanılması gereldr (Magnussen and Hjertager, 1976). Yaıt çn reasyon oranı aşağıda fade le belrlenmştr. R β v E = ν, M T A C j j exp (16) RT j ürünler Arrhenus net oran fades normalde lamner aışlarda reasyon oranının ontrolü çn ullanılır (Fluent, 22). Türbülanslı aışlarda reasyon oranı, Arrhenus net oran fades (denlem 16) ve Magnussen model le hesaplanmatadır. Reasyon oranına türbülansın ets Magnussen model (Magnussen and Hjertager, 1976) ullanılara date alınır. Magnussen modelde, reasyon oranı ( ) R, aşağıda fadeden sırasıyla reasyona grenler ve ürünler çn hesaplanır: ε mr R, = ν, M Cρ (17) ν M R, R, R ε m P P = ν,m Cρ (18) N ν M j j, C reasyona grenler çn A değerne (C=A) ve ürünler çn AxB (C=AxB) değerne eşt olan deneysel br sabt, A ve B se Magnussen sabtlern (reasyon arışım oranlarını) göstermetedr. Bu çalışmada, B değer Fluent programında varsayılan değer olan,5 olara alınmıştır. Grdap ayrışma model reasyona gren ve ürünler çeren grdapların dağılım oranı le lgldr ve reasyon oranı üzernde türbülansın ets çn ullanılmatadır. Karışım ontrollü reasyon oranı, türbülans zaman salası (/ε) bçmde fade edlr (Launder ve Spaldng, 1974). Bu model nemat ontrollü reasyon termlern de barındırmatadır (Versteeg ve Malalaseera, 1995). Türbülanslı reasyon aışlarında reasyon oranı yuarıda verlen denlemler (16-18) den hesaplanır. En yavaş (sınırlanan) reasyon oranı bütün hesaplamalar j 48
.9 r L 1 L 2 çıış R hava yaıt r1 r2 Smetr esen z Şel 1. Kon Grşl Yanma Odası Geometrs. çn reasyon oranı olara ullanılır. Sonuçta, türbülanslı aışta reasyon oranı ( R ) aşağıda genel fadeden hesaplanmatadır: R = mn {( Den.16), ( Den.17)(, Den.18)} (19) Yaıt ütle esr çn taşınım denlem çözülür. Burada yaıt reasyon oranı; yaıt, ostleyc ve ürünlern türbülans dağılım oranının en üçüğü olara alınır. Yaıt ütle esr denlemne lave olara, ürünler ve osjen ütle esrlernn belrlenmes çn dğer myasal türlern taşınım denlemler çözülür. SAYISAL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Kon grşl paslanmaz çelten mal edlmş br yanma odasında hdrojen-metan arışımlı ompozt yaıtın sayısal smülasyonu Fluent programı yardımıyla gerçeleştrlmştr. Çalışmada hacmsel olara %7 H 2 e % 3 CH 4 ve %3 H 2 ve % 7 CH 4 çeren yaıtlar çn 4 W ısıl güç ve % 2 hava fazlalı değernde sayısal smülasyon yapılmıştır. Bu yaıtlar ve şletme şartları, yazarlar tarafından aynı geometrye ve şletme şartlarında yanma odasından elde edlen deneysel ölçüm değerlernn mümün olması nedenyle seçlmştr. Deneysel sıcalı ölçüm değerler ve gaz analzörler ullanılara elde edlen emsyon değerler sayısal smülasyon sonuçları le arşılaştırılara hdrojen-metan arışımlı yaıt çn en uygun yanma model sabt belrlenmştr. Sayısal smülasyonda yanma model sabtnn farlı değernn yanma aerodnamğne etler Şel 2-5 de verlmştr. Model sabt A nın değernde azalma le (4 den 1 e) esenel hızda büyü değşmler olmadığı Şel 2a-b den anlaşılmatadır. Bununla brlte, reasyon gecmesnden dolayı A nın azalması le esenel hız çıış bölgesnde braz azalmatadır. Radyal M esafe [m] 5 5 5 5 66 4 34.6 13.4 2.8 2.1 9.8.5 6.3 1.1 4.2 2.8 2.1.4.6.8 1 1.2 1.4 9543.8 4.4 6.19.5 2 3 1.4.5 16.4.9 2.7.5 4.4 1.4.4.6.8 1 1.2 1.4 Şel 2. Esenel Hız Dağılımı [m/s], a)- A=4, b)- A=1..5 1.1 2.7.9 1.4 1.1.5.5 49
. A nın azalması le radyal hız sevyes grşe yaın bölgede azalmasına arşın, yanma odası çıışına yaın bölgede artma gösterdğ Şel 3a-b den görülmetedr. Yanma odası aış alanında bu değşmler reasyon gecmesnden aynalanmatadır. 5 5 - - - - - -.4 1.7.6. - -.4.5.9.7 - - - - -.4.6.8 1 1.2 1.4 5 5.4..6.7 1.4.8.8.9.8.7.7.4.6.7...4.5.5.5.6.4.4.5.5.5.4.4.4.4..4.6.8 1 1.2 1.4... 5 5. 5 -.1 -.2.4.8 8 -.1 - -.1.4.6.8 1 1.2 1.4.1.2.1.1.1 5..2.4.4 1.5.5..7.6.7.7.4.6.6.5.6.5.4.4.4.5.4.4.4..4.6.8 1 1.2 1.4.2.1.. -.1 Şel 3. Radyal Hız Dağılımı [m/s], a)-a=4, b)-a=1. Şel 4. Teğetsel Hız Dağılımı [m/s], a)-a=4, b)-a=1. Masmum teğetsel hız (w) sevyesnn A nın azalması le azaldığı Şel 4a-b den görülmetedr. Şel 5ab den de görüleceğ gb masmum türbülans sevyesnn model sabt A nın değernde azalma le azaldığı görülmetedr. 5
7.5 4.8 1215 116 937 9 5 1 5 5.6 1.6 1..6.6 hdrojenn (Şel 8a-b) yandığı anlaşılmatadır. Yanma odası çıışında bütün hdrojen ve metanın tüetldğ Şel 7-8 den görülmetedr. Şel 9a-b ncelendğnde osjenn çoğunun brülöre ço yaın bölgede tüendğ görülür. Model sabt A nın değernn 4 den 1 e azalması le metan ve osjen onsantrasyonlarının, bu gazların yavaş reasyonundan dolayı (A nın değernn azalması nedenyle) metan mtarının daha yüse olduğu Şel 7a-b den, hdrojen mtarının da daha yüse olduğu Şel 8a-b den anlaşılmatadır. Osjenn büyü mtarının brülöre ço yaın bölgede tüendğ Şel 9a-b den görülmetedr. 1. 5 37.3 231 9.3 1. 7.5 82.2 67.2 1.6 9.6 4.8 22.4 37.3.6 2.3 3.4 14.9 3.4.4.6.8 1 1.2 1.4 2.3 1.6 1. 5 5 772 856 937 986 884 856 772 92 168 884 937 986 116 1215 92 1115 168 856 937 986 116 772 884 92 937 884 92 856 116 92 1115 1338 5.7.5.9.7.5 59 937 772 856 116 986 884 772 168 1338 1863 1215 1515 1945 173 1515.4.6.8 1 1.2 1.4 1115 168 986 884.5.5.9 11.1 22.2 33.3 27.83.5 47.2 88.9 38.9.7 8.3 13.9.9 2.2 1.5 1.8 2.8 5.6.4.6.8 1 1.2 1.4 Şel 5. Türbülans Knet Enerj Dağılımı [m 2 /s 2 ], a)-a=4, b)-a=1. Yanma odası çersnde sıcalı dağılımları Şel 6ab de verlmştr. Bu şelden, yanma odası çersnde sıcalı dağılımı ncelendğnde yanma model sabtnn 4 den 1 e azalması le sıcalı sevyelernde genel olara azalmalar olduğu görülmetedr. Aynı şelden model sabt A nın değernn azalmasına bağlı olara alev bölgesnn br mtar daha ler doğru aydığı görülmetedr. Bu durum A nın yüse değernde (A=4) yanmanın daha çabu başladığını ve brülöre daha yaın bölgede gerçeleştğn göstermetedr. Model sabtnn 4 değernde, yaıt ve osjenn hızlı reasyonundan dolayı metanın (Şel 7a-b) ve 2.2 1.8 1.5.7 5 5 1 61 864 118 1479 1276 864 9 1 1 9 5 1 19 1113 7 9 7 161 8 6 4 1354 1593 9 1 1 1746 9 51 19 1113 118 1276 14 79.4.6.8 1 1.2 1.4 1 3 5 4 911 161 Şel 6. Sıcalı Dağılımı (K), a)-a=4, b)-a=1. 951 1 1 8 864 1 1 1 3 19 1 6 1 1 9 9 51 9 1 1 9 1 1 8 6 4 51
5 5 5 5 84.6.4.2.1.4.6.8 1 1.2 1.4.2.1.4.6.8 1 1.2 1.4 5 5 5 Radyal M esafe [m] 5.1...3.2.1 4.6.4.6.8 1 1.2 1.4 Şel 7. CH 4 Dağılımı, a)-a=4, b)-a=1...1..1.4.6.8 1 1.2 1.4 Şel 8. H 2 Dağılımı, a)-a=4, b)-a=1. 52
5 5 5 1.8 2 1.6.7 3.7 5 2.8.6 78 6.2 1.2.1.4.1.4.6.8 1 1.2 1.4 5.1.4 1.3 3 2 3 4.7.8.6.7 5.9 1 21 4 3 4.4.6.8 1 1.2 1.4 5 5 5.1 5 4 3 3.1 4 7.3 5.8.2 2 4.8 1.9 3 6.7.6.3.2.1.4.6.8 1 1.2 1.4 3.4.3.1.6.8.3 2.6.8.7.9 2 3 1 3 4.4.6.8 1 1.2 1.4 Şel 9. O 2 Dağılımı, a)-a=4, b)-a=1. Şel 1. H 2 O Dağılımı, a)-a=4, b)-a=1. H 2 O onsantrasyonunun model sabt A nın değernn azalması le br mtar azaldığı Şel 1a-b den görülmetedr(a=4 çn % 15, A=1 çn se; % 13,65). Model sabt A nın değernn azalması le masmum CO mtarında artma olduğu Şel 11a-b den görülmetedr(a=4 çn % 9 ve A=1 çn se % 8,1). Bu şellerden de görüleceğ gb CO onsantrasyonu z=,8 m den sonra fazla değşmedğ ve yanma odasının genş br alanına CO onsantrasyonunun yerleştğ anlaşılmatadır. Bu durum l reasyonda CO oluşumunun yavaş ve nc reasyonda CO nun CO 2 ye dönüşümünün yavaş olmasından aynalanmatadır. Yanma odası çıışında CO 2 ye 53
. dönüşmeyen CO mtarı daha fazladır. A değernn azalması le nc reasyon ademesnn yavaşlamasından dolayı CO 2 mtarının azaldığı Şel 12a-b den görülmetedr. 5 5 5 2 2 5.1..8.4.1.7.6..2.2.1.6.3.3.9..1.7.1.4.4.1.2.4.6.8 1 1.2 1.4.2.2 2 4 1.8.8.1.6.3.7.3.6.9 1.8.8.4.6.8 1 1.2 1.4 5 1 Radyal M esafe [m ] 5 5 2 1.8.1.7.4.1.9.6.6.2 2.9.8 1 2.1 2 Radyal M esafe [m] 5 4 3 3.1 4. 7.4.6.8 1 1.2 1.4 Şel 12. CO 2 Dağılımı, a)-a=4, b)-a=1. Deneysel Ölçümler le Karşılaştırma 3.4.3.1.6.8.3 2.6.8.7.9 2 3 1 3 4.4.6.8 1 1.2 1.4 Şel 11. CO Dağılımı, a)-a=4, b)-a=1. Hdrojen-metan arışımlı yaıt yanmasında ullanılan model sabtnn yanma odası esen sıcalığı üzernde ets Şel 13 de verlmştr. Yanma model sabtnn farlı değernde (4 ve 1) elde edlen esenel sıcalı dağılımı termal çftler le ölçülen sıcalı sevyeler le arşılaştırıldığında, deneysel ölçüm değerlerne en yaın sonucun A nın 1 değernde elde edldğ görülmetedr. Model sabt değernn 4 alınması durumunda yanma reasyonunun meydana geldğ alev çerdeğnde yalaşı olara 3 K cvarında, brülörden daha uza esenel mesafelerde 4 K ya yaın br far olduğu görülmetedr. Bu ölçülen ve tahmn edlen sıcalı sevyelernde far yanma odası çıışına doğru, yanma reasyonun tamamlanmasına bağlı olara azalmatadır. 54
Scal [K] 2 18 16 14 12 1 8 Deneysel Saysal (A=4) Saysal (A=1) olduğu Şel 14b den görülmetedr. Sayısal smülasyon tahmnlernde belrlenen H 2 O mtarının değşm aynı şelden görülmetedr. Yaıt arışımında hdrojen çerğnn artması le H 2 O mtarında artış olmatadır. Bunun neden se yaıt arışımında hdrojen mtarının artması le yanma sstemne gren hdrojen mtarında artmadan aynalanmatadır. Daha önce yapılan çalışmalarda hdrojen-metan arışımlı yaıtta hdrojen mtarının artması le CO emsyonunun azaldığı ve H 2 O mtarının arttığı belrlenmştr (İlbaş, 25 ve Yılmaz, 28). 6 4 2.4.6.8 1 1.2 1.4 Esenel mesafe [m] Şel 13. Yanma Model Sabt A nın Sıcalığa Ets. NO [ppm] 6 5 4 3 Deneysel Saysal Saysal Model sabt A nın 1 değer ullanılara hacmsel olara %7 H 2 ve %3 CH 4 ve %3 H 2 ve %7 CH 4 ullanılara elde edlen NO değer le ölçüm değerler Şel 14a da verlmştr. Hdrojen-metan arışımlı ompozt yaıt yanmasında NO oluşum meanzmasının ağırlılı olara ısıl aynalı olması nedenyle A nın 1 değer çn sıcalı değerlernn ölçüm değerlerne ço yaın olara elde edlmes (Şel 13) le aynı model sabt le elde edlen NO değernn ölçüm değerlerne yaın olduğu Şel 14a dan anlaşılmatadır. Model sabt değer 1 çn hacmsel olara %7 H 2 ve %3 CH 4 ve %3 H 2 ve %7 CH 4 çeren yaıtlar ullanılara yapılan sayısal smülasyonlarda elde edlen CO ve CO 2 değerler gaz analzörü ölçüm değerler arşılaştırması Şel 14b de verlmştr. Ölçülen emsyon değerler le tahmn değerlernn uyumlu olduğu aynı şelden görüleblmetedr. Şel 14b de tahmn edlen H 2 O değernn ompozt yaıtta hdrojen mtarı le değşm de verlmştr. Yaıt arışımında hdrojen mtarının artması le CO emsyonunun azaldığı yne Şel 14b den görülmetedr. CO emsyonunda yaıtta hdrojen mtarının %3 dan %7 e yüselmes le daha esn br azalış olduğu aynı şelden görülmetedr. Bu durum ompozt yaıtta hdrojen çerğnn artması le arbon/hdrojen (C/H) oranının artmasından aynalanmatadır. CO oluşum meanzması p alev sıcalığına duyarlı değldr. Daha zyade OH ve H gb ara radal onsantrasyonuna büyü ölçüde bağımlıdır. CO yaıt ayrışması le br ara yanma ürünü olara alevn yaıt zengn bölgesnde oluşmatadır. Bu reasyon, sadece radaller çerdğnden dolayı ço hızlıdır. Ayrıca, deneysel olara ölçülen CO değerler sayısal olara hesaplanan değerlerden daha yüse CO2, H2O [%] 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 14 12 1 8 6 4 2 Hdrojen (%) CO2 Deneysel CO2 (Saysal) CO Deneysel CO (Saysal) H2O (Saysal) CO2 (Saysal) CO (Saysal) H2O (Saysal) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Hdrojen (%) Şel 14. Hdrojen Mtarı le Emsyonların Değşm: a) NO, b) CO 2, CO ve H 2 O. 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 CO [ppm] 55
SONUÇLAR Kon grşl paslanmaz çelten mal edlmş br yanma odasında hacmsel olara %3 hdrojen ve %7 metan ve %7 hdrojen ve %3 metan çeren ompozt yaıt ullanılara %2 hava fazlalı değernde ve 4 W ısıl güç çn Fluent sayısal aışan dnamğ programı yardımıyla dfüzyon alevnn sayısal smülasyonu yapılmıştır. Sayısal smülasyonda yaıt ve hava arışımının yanması çn ullanılan grdap ayrışma modelnde (Magnussen model) model sabtnn farlı değer ullanılara, bunların sıcalı, aış alanı ve emsyon üzernde etler ncelenmştr. Çalışmada hdrojen-metan arışımlı ompozt yaıt çn yanma model sabtnn uygun olan değer smülasyon sonuçları le yazarlar tarafından yapılan deneysel ölçüm değerler arşılaştırılara belrlenmştr. Yanma model sabtnn Magnussen modelde (Magnussen ve Hjertager, 1976) önerlen 4 değernde alınması durumunda tahmn edlen sıcalı değerlernn ölçüm değerlernden olduça uzalaştığı belrlenmştr. Sunulan çalışmada yaıt ve şletme şartlarına bağlı olara 4 K değernde br sıcalı farı meydana gelmştr. Bu nedenle, Magnussen modelde A sabtnn ompozt gaz yaıt arışımlarının yanma smülasyonu çn düzenlenmesne htyaç bulunmatadır. Model sabt A nın çalışmada ullanılan hdrojen-metan arışımlı yaıtlar çn 1 alınması halnde ölçüm değerlerne olduça yaın sıcalı ve gaz emsyonlarının tahmn edleceğ görülmüştür. Sunulan çalışma endüstryel yanma odası tasarımında, ojenerasyon üntelernde gaz türbn yaıcılarında ve azanlar gb yanma uygulamalarının sayısal çözümlemesnde sılıla terch edlen Fluent programını ullanan mühends ve ten personele olduça yararlı blgler ve frler sağlayacatır. Bu tp uygulamalarda programın ullanımında model sabtnn yama sstemnde ullanılan şletme şartına bağlı olara düzenleme yapılması halnde smülasyon sonuçlarının olduça y sonuçlar vereceğn göstermetedr. TEŞEKKÜR Yazarlar çalışmaya 15M37 nolu Blmsel Araştırma projes apsamında desteğ çn Türye Blmsel ve Tenoloj Araştırmalar Kurumuna (TÜBİTAK) teşeür ederler. KAYNAKLAR Fluent Incorporated, Fluent User s gude verson 6.1., 22. İlbaş, M., Ultra low NOx burner, Ph.D. Thess, Unversty of Wales, UK, 1997. modelng, Internatonal Journal of Hydrogen Energy 3, 1113-1126, 25a. İlbaş, M., Yılmaz, İ., Kaplan, Y., Investgatons of hydrogen and hydrogen-hydrocarbon composte fuel combuston and NOx emsson characterstcs n a model combustor, Internatonal Journal of Hydrogen Energy, 3, 1139-1147, 25b. İlbaş, M., Yılmaz, İ., Vezroğlu, T.N. Kaplan, Y., Hydrogen as burner fuel: modellng of hydrogenhydrocarbon composte fuel combuston and NOx formaton n small burner, Internatonal Journal of Energy Research, 29, 973-99, 25c. Kaname, S., Use of predcton procedures to model swrl burner/furnace flows, Ph.D. Thess, Unversty of Wales, UK, 1994. Launder, B.E., Spaldng, D., Lectures n Mathematcal Models of Turbulence, Academc Press, Newyor, 1974. Magnussen, B.F., Hjertager, B.H., On mathematcal modelng of turbulent combuston wth emphass on soot formaton and combuston, 16 th Syposum (Internatonal) on Combuston, The Combuston Insttute, 719-729, 1976. Scharler, R., Obernberger, I., Numercal optmsaton of bomass grate furnaces, Proceedngs of the 5th European Conference on Industral Furnaces and Bolers, ISBN-972-834-4-, Porto-Portugal, 2. Scharler, R., Flecl, T., Obernberger, I., Modfaton der Magnussen-Parameter für Bomasse- Rostfeuerungen mttels Heßgas n-stu FT-IR Absorptonspetrosope, Proceedngs of the Conference 2. Deutscher Flammentag, Essen- Germany, 21. Spangelo, O., Expermental and theoretcal studes of a low NO x swrl burner, Ph.D. Thess, Norwegan Unversty of Scence and Technology, Norway, 24. Versteeg, H.K., Malalaseera, W., Computatonal Flud Dynamcs, Longman, Scentfc&Techncal, London, 1995. Yılmaz, İ, Model br yaıcıda hdrojen-metan arışımının yanmasının sayısal ve deneysel ncelenmes, Ercyes Ünverstes, Dotora Tez, 26. Yılmaz, İ., İlbaş, M., An expermental study on hydrogen-methane mxtured fuels, Internatonal Communcatons n Heat and Mass Transfer, 35, 178-187, 28. İlbaş, M., The effect of thermal radaton and radaton models on hydrogen-hydrocarbon combuston 56
İler YILMAZ, 1976 yılında İstanbul da doğdu. 1999 yılında Ercyes Ünverstes Mane Mühendslğ Bölümünden mezun oldu. 199-2 yılları arasında Köy Hzmetler Adana Bölge Müdürlüğünde Mühends olara çalıştı. 2 yılından ber Ercyes Ünverstes Svl Havacılı Yüse Oulunda görev yapmatadır.1999 yılında Ercyes Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü Mane Mühendslğ Ana Blm Dalında Yüse Lsans eğtmne başladı ve 21 yılında tamamladı. 21 yılında Hdrojen enerjs ve yanma onusunda Ercyes Ünverstesnde dotora eğtmne başladı ve 26 yılında tamamladı. 27 yılında Svl Havacılı Yüse Oulu Uça Gövde- Motor Bölümüne Yrd. Doçent Dr. Olara atandı. Çalışma onuları arasında yanma, hdrojen enerjs ve gaz türbnler bulunmatadır. Mustafa İLBAŞ, 1967 yılında Yozgat ta doğdu. 1988 yılında Ercyes Ünverstes Mane Mühendslğ Bölümünden mezun oldu. 1989 yılında E.Ü Mühendsl Faültes Mane Mühendslğ Bölümüne Araştırma görevls olara atandı. E.Ü. Fen Blmler Ensttüsü Mane Mühendslğ Ana Blm Dalında Yüse Lsans eğtmn 1991 yılında tamamladı. 1993 yılında İngltere( Brleş Krallılar) Wales Ünverstes(UWCC), Mane ve Enerj Mühendslğ Bölümünde Dotora eğtmne başladı ve 1997 yılında tamamladı. Aynı yıl E.Ü mühendsl Faültes Mane Mühendslğ Bölümünde Yrd. Doçent, 2 yılında Doçent ve 26 yılında Profesör oldu. Prof. Dr. Mustafa İLBAŞ yaıtlar ve yanma, hdrojen enerjs, termodnam ve enerj tenolojler onularında çalışmatadır. 57