Gaz yakıtlı ocaklarda katı yüzeyin emisyona ve verime etkisi
Solid surface effect on efficiency and emission in gas fired furnaces
Yazar: ÖZER AYDIN
Danışman: Y.DOÇ.DR. ERHAN BÖKE
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2005
Konu: Enerji = Energy

Özet:
ÖZETDünyada alternatif enerji kaynaklarının artan kullanımına karşın, toplam enerjitüketiminin çoğunu fosil yakıtların kullanımı oluşturmaktadır. Bu kullanım tehlikeli boyutlaraulaşan yanma kaynaklı hava kirliliğini beraberinde getirip günümüzün önemliproblemlerinden birini oluşturmaktadır. Doğal gaz bu fosil yakıtların içinde çevre kirliliğiyönünden en temiz olanıdır. Doğal gazın yanması sonucu oluşan emisyonlar içindeazotoksitler ilk sırada gelmektedir. Yanma olayında buna sebep olan ise yüksek alevsıcaklığıdır. Azotoksitler farklı mekanizmalara göre sıcaklık, konsantrasyon, oyalanmasüreleri ve yakıtın kalitesi gibi yanma şartlarına bağlı olarak oluşmaktadır. Doğal gaztüketimindeki hızlı artış nedeniyle yakma sistemlerinde verimde azalma olmadan emisyonkontrolu sağlanmalıdır. Emisyonların azaltılması için sebeplerinin kontrol altında tutulmasıgerekmektedir. Emisyon oluşumunda etkili bu faktörler; hava fazlalık katsayısı, yanma odasıbüyüklüğü, yanma gazlarının geri beslenmesi, alev sıcaklığı, yanma gazlarınınsoğutulmasıdır.Bu çalışmada kazanın yanma odasına yerleştirilen dolgu malzemelerinin azotoksit vekarbonmonoksit emisyonları ile kazan verimine etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Deneyselçalışmalar nümerik çözümlerle karşılaştırılarak bu çözümlerin deneysel verilere yakınlığıtespit edilmiştir.Deneysel çalışmada, 116 kW kapasiteli TS 11392 Pr EN 676 standardında brülör testiiçin tasarlanmış doğalgaz yakıtlı bir deney kazanına bir cebri brülör monte edilerek laboratuarşartlarında doğal gaz yakılmıştır. Bu çalışmada ocak boyu, kazan ısıl kapasitesi, hava yakıtoranı ve dolgu malzemesinin boyutu parametre olarak seçilerek hem deneysel hemde nümerikolarak incelenmiştir. Bu deney kazanında ocak boyu ayarlanarak ocak hacmideğiştirilebilmektedir.Deneylerde, ocak içerisinde farklı noktalara yerleştirilmiş termoelemanlar ile ocakiçinde alev ve yanma gazlarının sıcaklığı, bacaya yerleştirilen ölçü aletleri (gaz analizörü,termoeleman ve fark basınç ölçer) ile hava fazlalık katsayısı, verim, O2, CO, CO2,NOx, baca sıcaklığı ve baca çekiş basıncı, su debisi, gaz debisi ve sıcaklıkları, ortambasıncı ölçülmüştür.Nümerik çalışmada ise FLUENT CFD (Computational Fluid Dynamics) programıkullanılarak deney kazanı modellenmiştir. Yanma sonu ürünleri, alev sıcaklığı ve NOxoluşumu sayısal olarak çözümlenerek deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır.Deneysel sonuçlar ocakta dolgu malzemesi kullanımın ısı geçişini ve böylece kazanısıl veriminin de arttığını göstermiştir. Bu artış dolgu malzemesinin yüzey alanının artmasıylaorantılıdır. Bu dolgu malzemelerinin kullanımı ile alev sıcaklığında azalma bunun sonucuolarak ta azotoksit emsiyonlarında düşüş olmuştur. Ayrıca bu dolgu malzemelerikarbonmonoksit emisyonlarının azalmasını da sağlamıştır. Elde edilen nümerik sonuçlar,deney sonuçlarına hem alev sıcaklıkları hem de emisyonlar için kabul edilebilir yakınlıktadır.Anahtar Kelimeler : Doğal Gaz, Yakma Sistemleri Dizaynı, Yanma, Azotoksit Kontrolü,Sayısal Akışkanlar Dinamiği.

Abstract:
SUMMARYAlthough usage of alternative energy sources increase, fossil fuels have the greatestratio of the total energy consumption. Fossil fuel combustion causes the air pollution whichbecomes a great problem of the World. Natural gas is the cleanest fossil fuel in the view pointof environmental pollution. The most important emission of natural gas is nitrogen oxide. Thehigh combustion temperature causes the nitrogen oxide emission. Temperature andcombustion time affect the concentration of nitrogen oxide. In recent years natural gasconsumption increased and energy strategies of Turkey support the spread of the natural gasusage. Because of increasing consumption of natural gas, the emission control must beensured without the reduction of combustion efficiency. In order to reduction of emission, thereasons of that are to be held under control. The factors which affect the emission formationare as follows; excess air ratio, combustion chamber size, combustion gas recirculation, flametemperature, cooling of the combustion gases.In this study the effect of filling materials that placed in the combustion chamber overnitrogen oxide and carbon monoxide emissions and the boiler efficiency investigatedexperimentally. The experimental studies compared with numerical solutions and determinedthat the numerical solutions and the experimental data are similar.In this study, a 116 kW heat capacity natural gas burner was tested on a boiler which isdescribed in the Turkish Standard TS 11392 Pr EN 676. This type of boiler gave theopportunity to define the effect of the construction changes of the combustion chamber on theemissions. In this study, combustion chamber size, heat input capacity and excess air ratio andthe geometry of the filling material were choosen as parameters and were investigated usingboth experimental and numerical methods. On this test facility, the combustion chambervolume was varied changing the length of that.During the experiments, flame and combustion gases temperature in chamber, gastemperature at the inlet of the flue gas tubes, water flow rate and temperatures, natural gasconsumption and temperature, gas emissions (O2, CO2, CO, NO, NO2) and gas draught,barometric pressure were measured.The test boiler was modeled numerically using the CFD program FLUENT. Thecombustion and nitrogen oxide formation were investigated and compared with theexperimental results.Experimental results have shown that using the filling materials in the combustionchamber increased the heat transfer and the boiler efficiency. The increasing was proportionalwith the surface area of the filling materials. Use of this filling materials caused the flametemperature decrease and as a result of this a decrease in nitrogen oxide emissions occured.The filling materials have also decreased the carbon monoxide emission. The numericalsolutions were acceptibalely close to experimental results both in flame temperature andemissions.Key Words : Natural Gas, Furnace Design, Combustion, NOx Control, Computational FluidDynamics.