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

Özet:
Yenilenebilir, farklı tip yakıtların ısıtma sistemlerinde kullanılabilmesinin dünya enerji kaynaklarının yönetimine önemli katkı sağlayacağı değerlendirilmektedir. Bu kapsamda biyogazın özellikle ısıtma sistemlerinde kullanılabilirliğinin araştırılması gerekmektedir. Literatür incelendiğinde doğalgaz veya LPG ile çalışan hermetik tip gaz yakıcı cihazlarda biyogazın yakıt olarak kullanılabilirliğine ilişkin çalışma görülmemiştir. Bu tezin, doğalgaz ile çalışan ısıtma sistemlerinin biyogazla da çalıştırılabildiğini göstermesi beklenmekte ve literatüre önemli katkı sağlayacağı değerlendirilmektedir. Bu kapsamda, bu çalışmada hermetik tip gaz yakıcı cihazlarda biyogazın kullanılabilirliği sayısal ve deneysel olarak araştırılmıştır. Çalışmalarda, hacimce %60 CH4 - %40 CO2, %70 CH4 - %30 CO2, %80 CH4 - %20 CO2 ve %90 CH4 - %10 CO2 karışımlı biyogazlar kullanılmış, sıcaklık ve NOx dağılımları elde edilmiştir. Sayısal analizde türbülans modeli olarak eddy-viskozite modeli olarak da bilinen standart k-ε türbülans modeli kullanılmıştır. Hem sayısal hem de deneysel çalışmalar için eşdeğerlik oranı olarak 0,75 kullanılırken, deneysel çalışmalarda 13 kW güç, sayısal modellemelerde ise hem 31 kW hem de 13 kW güç için sonuçlar elde edilmiştir. Sayısal çalışmalarda farklı giriş sıcaklıkları ve farklı O2 oranları ile de sıcaklık ve NOx dağılımları elde edilmiştir. Çalışmalar sonucunda yakıt karışımındaki CH4 konsantrasyonunun alev sıcaklıkları üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. Yakıt karışımındaki CH4 konsantrasyonu azaldıkça alev sıcaklıklarının azaldığı ve bunun sonucunda NOx miktarının düştüğü görülmüştür. Ayrıca, hava ön ısıtmanın ve oksijen oranın da alev sıcaklıklarını önemli oranda etkilediği sonucu elde edilmiştir.

Abstract:
It is considered that the use of different types of renewable fuels in heating systems will make a significant contribution to the management of the world's energy resources. In this context, the usability of biogas, especially in heating systems, needs to be investigated. When the literature is examined, there is no study on the usability of biogas as a fuel in hermetic type gas burner devices operating with natural gas or LPG. This thesis is expected to show that natural gas-powered heating systems can also be operated with biogas and is considered to make a significant contribution to the literature. In this context, in this study, the usability of biogas in hermetic type gas burners is investigated numerically and experimentally. In the studies, biogas mixed with 60% CH4 – 40% CO2, 70% CH4 – 30% CO2, 80% CH4 – 20% CO2 ve 90% CH4 – 10% CO2 by volume were used and temperature and NOx distributions were obtained. The standard k-ε turbulence model, also known as the eddy-viscosity model, was used as the turbulence model in the numerical analysis. While 0.75 was used as the equivalence ratio for both numerical and experimental studies, results were obtained for 13 kW power in experimental studies and for both 31 kW and 13 kW power in numerical modeling. In numerical studies, temperature and NOx distributions were also obtained with different inlet temperatures and different O2 rates. As a result of the studies, it was observed that the CH4 concentration in the fuel mixture has a significant effect on flame temperatures. It has been observed that as the CH4 concentration in the fuel mixture decreases, flame temperatures decrease and as a result, the amount of NOx decreases. Additionally, air preheating and oxygen content in the oxidizer significantly affect flame temperatures.