Hermetik tip birleşik gaz yakıcı cihazlarda hidrojen yakıtının kullanılabilirliğinin sayısal ve deneysel araştırılması
Numerical and experimental investigation of the usability of hydrogen fuel in hermetic type combined gas burners
Yazar: MERT ÖKTEN
Danışman: DOÇ. DR. HALİL İBRAHİM VARİYENLİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Enerji = Energy ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Mühendislik = Engineering

Özet:
Bu çalışmada, doğal gaz-hidrojen yakıt karışımının yanmasının ev tipi kombi brülöründe herhangi fiziksel değişime ve performans kaybına neden olmadan kullanılabilirliği deneysel olarak araştırılmış ve sayısal olarak modellenmiştir. Çalışma iki aşamadan meydana gelmektedir. Birinci aşamada hidrojen yakıt ilaveli ve hidrojen yakıt destekli doğal gaz yakıt karışımı, kondenzasyonlu hermetik tip kombide deneysel olarak yakılmıştır. İkinci aşamada ise bir HAD programında modellenmiştir. Hidrojen yakıt ilaveli doğal gaz yanmasında metan miktarı 20 Sl/dk değerinde sabit tutulmuş, oluşturulan yakıt karışımında hidrojen, hacimce %0 ile %75 arasında %5'erlik artışlarla eklenmiştir. Yanma odasında en üst seviyedeki (12 cm) ölçüm noktasından alınan alev sıcaklığı ölçümlerinde %0 H2'de 571.1 K'den %75 H2'de 908.1 K'e yükselmiştir. Deney sırasında yapılan emisyon değerleri ölçümünde karbon monoksit (CO) oranı 15 ppm'den 3 ppm seviyelerine azalırken, karbon dioksit (CO2) oranı %2.6 'dan %4.5 değerlerine, azot oksit (NOx) oranı ise 10 ppm seviyelerinden 21 ppm seviyelerine artmıştır. Hidrojen yakıt destekli doğal gaz yanmasında ise kombi ısıl gücü 20 kW'ta sabit tutulmuştur. Karışımdaki CH4 hacimce %5 değerinde azaltılarak aynı oranda H2 ilave edilmiştir. Deney, yakıt karışımı %60 CH4 - %40 H2 olana kadar devam etmiştir. Yanma odasında en üst seviyedeki (12 cm) ölçüm noktasından alınan alev sıcaklığı ölçümlerinde yakıt karışımındaki H2 oranı %0'da 1136.4 K'den %60'ta 1167.7 K'e yükselmiştir. Yapılan emisyon değerleri ölçümünde CO emisyonunda %96, CO2 emisyonunda %25, NOx emisyonunda ise %46 oranında azalma meydana gelmiştir. Çalışma sonucunda kombilerde %60 doğalgaz ve %40 hidrojen karışım oranları ile kullanılabilirliği ön görülmüştür. Doğal gazda dışa bağımlı ülkelerde temiz yakıt olarak kullanılabilecek hidrojenin sera gazı emisyonlarının yanı sıra ekonomiye de katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
The objective of this study is to investigate the feasibility of combustion of a natural gas-hydrogen fuel mixture in a domestic boiler burner without causing any physical change or performance loss. This investigation is conducted both experimentally and through numerical modelling. The study is comprised of two distinct phases. In the initial phase of the study, a natural gas fuel mixture with hydrogen fuel addition and hydrogen fuel support was subjected to combustion experimentation in a condensing hermetic boiler. In the second stage, the model was created using a computational fluid dynamics (CFD) program. In the combustion of natural gas with the addition of hydrogen, the methane content was maintained at a constant rate of 20 Sl/min, with hydrogen introduced to the fuel mixture in increments of 5% between 0% and 75% by volume. Flame temperature measurements were taken from the measurement point at the top level (12 cm) in the combustion chamber. These measurements revealed an increase in flame temperature from 571.1 K at 0% H2 to 908.1 K at 75% H2. The measurement of emission values during the experiment revealed a decrease in carbon monoxide (CO) rate from 15 ppm to 3 ppm, an increase in carbon dioxide (CO₂) rate from 2.6% to 4.5%, and an increase in nitrogen oxide (NOx) rate from 10 ppm to 21 ppm. In the combustion of natural gas with the assistance of hydrogen fuel, the thermal power of the boiler was maintained at a constant value of 20 kW. The methane content of the mixture was reduced by five percent by volume, and hydrogen was introduced at the same rate. The experiment was conducted until the fuel mixture reached a composition of 60% methane and 40% hydrogen. Flame temperature measurements taken at the top of the combustion chamber (12 cm) demonstrated that the hydrogen content in the fuel mixture increased from 1136.4 K at 0% to 1167.7 K at 60%. In the measurement of emission values, a decrease was observed in the emission of CO (96%), CO₂ (25%) and NO_x (46%). The results of the study suggest that this method can be applied to boilers with a mixture ratio of 60% natural gas and 40% hydrogen. The use of hydrogen as a clean fuel in countries dependent on natural gas is thought to contribute to economic growth while also reducing greenhouse gas emissions.