Renksiz dağıtılmış yanmanın ön karışımlı metan alev karakteristiklerine olan etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of colorless distrubuted combustion effect on premixed methane flame characteristics
Yazar: ÇAĞRI TÜMER
Danışman: DOÇ. DR. SERHAT KARYEYEN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Dünya genelinde enerji ihtiyacındaki artış ve fosil enerji kaynaklarının tükeniyor olması sebebiyle kaynakların daha verimli kullanılması gerekmektedir. Kullanılan kaynakların çevreye olan zararları ise enerji ihtiyacındaki artış ile paralel olarak artmakta ve geri dönülemez zararlara sebep olmaktadır. Çalışmada yanma sonucunda ortaya çıkan emisyonları azaltmak ve dolayısıyla yakıtların çevreye olan zararlarını azaltmak amacıyla renksiz dağıtılmış yanma yöntemi kullanılmıştır. Tasarlanmış olan yanma odası içerisine ön karışımlı olarak yakıt-hava karışımı gönderilmiştir. İki farklı koşul altında hava fazlalık katsayısının (λ) da etkisi araştırılmıştır. Çalışma yapılırken öncelikle yanma reaksiyonu hesaplanmıştır. Hava içerisindeki molce %21 O2 konsantrasyonu, %19, %17 ve %15 olacak şekilde N2 ile seyreltilerek renksiz dağıtılmış yanma şartları uygulanmıştır. Modellemeler için hava fazlalık katsayısı öncelikle λ=1,2 kabul edilmiş ve bu şartlar sonucunda ortaya çıkan sonuçlar değerlendirilmiştir. Ardından, hava fazlalık katsayısı λ=1,7 olarak değiştirilmiş ve hava fazlalık katsayısının renksiz dağıtılmış yanma şartlarına olan etkileri incelenmiştir. Model ve reaksiyon sonucu doğrulaması için önceki modelleme sonuçları ile karşılaştırma yapılmış ve uyum tespit edilmiştir. 10 kW ısıl güç (yaklaşık 70 MW/m3.atm ısıl yoğunluk) sınır şartlarında modellemeler yapılmıştır. Çalışma sonucunda yanma odası içerisindeki hızlarda düşüş, hızların düşüşüne bağlı olarak iç resirkülasyonun artması, bununla orantılı olarak da reaksiyon hızı yavaşlayarak ani yüksek sıcaklık bölgelerinin oluşmaması beklenmektedir. Yüksek sıcaklık bölgelerinin oluşmaması ile paralel olarak NOx emisyonlarında düşüş, reaksiyon hızının yavaşlaması ile de yanma odası içerisinde yanmamış karbonların tekrar reaksiyona katılması ile CO ve CO2 emisyonların düşüş beklenmektedir. Sonuçlar irdelendiğinde, renksiz dağıtılmış yanma ile, özellikle gaz türbinlerinin ve/veya uçak motorlarının yanma odaları için oldukça önemli olan daha homojen bir sıcaklık dağılımı elde edilirken CO2, NOX ve CO emisyonlarında önemli derecede azalmalar gözlenmiştir.

Abstract:
Due to the increase in energy demand and the depletion of fossil energy resources worldwide, resources should be used more efficiently. The damage to the environment of the resources used increases in parallel with the increase in energy demand and causes irreversible damages. With colorless distributed combustion approach, it was aimed to minimize the environmental damage of the fuels, and in this study, colorless distributed combustion method was applied. Premixed air-fuel mixture was introduced into a combustor, and the results were examined by changing the excess air coefficient (λ) under different conditions. The combustion reactions were first determined. 21% O2 concentration in the air was changed to 19%, 17%, and 15%, and colorless distributed combustion was achieved. Excess air ratio λ=1,2 was first determined, and the results obtained are evaluated. Then, excess air ratio was changed as λ=1.7, and excess air ratio effects on colorless distributed combustion was investigated.The existing modeling results were compared for the validation of the model, and it is concluded that the results are in good agreement with the existing results. Modelings were performed at boundary conditions being a thermal power of 10 kW (about a thermal intensity of 70 MW/m3.atm). In order to achieve colorless distributed combustion, modelings that oxygen concentration in the air inside the fuel-air mixture was to be 21% O2 (conventional combustion), 19% O2, 17% O2, and 15% O2 were performed. N2 was selected as the diluent to achieve colorless distributed combustion (simulation of combustion products recirculation). According to the results, via colorless distributed combustion, a more uniform thermal field which is particularly so important for gas turbines and/or aircraft engine combustors was obtained along with decrease in CO2, NOX, and CO2 emissions.