Borulu tip radyant ısıtıcılarda yanmanın nümerik modellenmesi
Numerical modelling of combustion in radiant tube heaters
Yazar: ALİ OĞUZ TEKELİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLAL SUNGUR
Samsun Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi = Heat transfer ; Radyant ısıtma = Radiant heating ; Radyant ısıtıcıları = Radiant heaters ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Sayısal modelleme = Numerical modelling ; Türbülanslı yanma = Turbulent combustion ; Yanma = Combustion

Özet:
Bir ısıtma sürecinin verimliliğinin arttırılması, ısıtma amaçlı harcamaların azaltılması anlamına gelmektedir ve uzun yıllardır ekonomik ısıtma yöntemi araştırılan bir konudur. Çalışma kapsamında bir oda içerisine yerleştirilmiş U tipi radyant borunun içerisindeki yanma olayı ve dış ortamda meydana gelen değişimler Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği programı (HAD) yardımıyla nümerik olarak incelenmiştir. Yapılan bu hesaplamalar literatürden alınan deneysel verilerle kıyaslanmıştır. Ayrıca türbülans modeli, radyasyon modeli, ısıl güç ve hava fazlalık katsayısı parametreleri değiştirilerek, bu değişimlerin radyant ısıtcı duvar sıcaklığına, radyant ısıtıcı içerisindeki sıcaklık dağılımına ve dış ortamdaki sıcaklık dağılımına etkisi araştırılmıştır. Nümerik çalışmalarda Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) programı olarak Fluent paket programı kullanılmıştır. Hesaplamalar üç boyutlu olarak gerçekleştirilmiştir. Türbülans modeli olarak Standart k-ε, RNG k-ε model ve Realizable k-ε model ayrı ayrı uygulanmıştır. Yanma modeli olarak türlerin taşınımı (species transport) modeli içerisinde yer alan eddy dissipation modeli uygulanmıştır. Radyasyon modeli olarak DO model ve P1 model ayrı ayrı uygulanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde P1 radyasyon modeli ve Standart k-ε model kullanılması durumunda elde edilen nümerik sonuçların deneysel sonuçlara oldukça yaklaştığı görülmüştür. En iyi sonuçların elde edildiği P1 radyasyon modeli ve Standart k-ε modelin kullanıldığı durumlarda oluşan maksimum yüzey sıcaklıkları 700 K civarlarındayken, deneysel olarak bu değer 655 K civarlarında çıkmıştır. DO radyasyon modeli ile elde edilen sonuçlarda ise oldukça yüksek sıcaklıklar oluşmuştur ve maksimum yüzey sıcaklıkları 900-950 K değerleri arasındadır. Nümerik hesaplamalarda ısıl gücün artması ve hava fazlalık katsayısının azalması, oda içerisinde oluşan sıcaklıkların artmasına sebep olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Increasing the efficiency of a heating process means reducing the expenses for heating purposes and the economical heating method has been researched for many years. Within the scope of the study, the combustion event inside the U-type radiant tube placed in a room and the changes in the external environment were investigated numerically with the help of the Computational Fluid Dynamics (CFD) program. These calculations were compared with experimental data from the literature. In addition, the turbulence model, radiation model, thermal power and air excess coefficient parameters were changed and the effects of these changes on the radiant heater wall temperature, the temperature distribution in the radiant heater and the temperature distribution in the outdoor environment were investigated. In numerical studies, the Fluent package program was used as a Computational Fluid Dynamics (CFD) program. Calculations were carried out in three dimensions. Standard k-ε, RNG k-ε model and Realizable k-ε model were applied separately as turbulence model. As the combustion model, the eddy dissipation model, which is included in the species transport model, was applied. DO model and P1 model were applied separately as radiation model. When the results are examined, it is seen that the numerical results obtained in the case of using the P1 radiation model and the Standard k-ε model are quite close to the experimental results. In cases where the best results were obtained, the P1 radiation model and the Standard k-ε model were used, while the maximum surface temperatures were around 700 K, this value was around 655 K experimentally. In the results obtained with the DO radiation model, very high temperatures have occurred and the maximum surface temperatures are between 900-950 K. In numerical calculations, it was determined that the increase in the thermal power and the decrease in the excess air coefficient cause an increase in the temperatures in the room.