Düşük NOx emisyonlu kombilerin performans ölçümleri ve optimizasyonu
Performance measurements and optimization of low NOx emission combi boilers
Yazar: ENİS GÜRSOY
Danışman: PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Yoğuşmalı kombi = Condensate combi

Özet:
Toplam yıllık enerji tüketimimizin %20'si gibi azımsanmayacak miktarının ısıtma ihtiyacımız için karşılandığı ülkemizde, verimli ve çevreye en az etkiyi oluşturacak ısıtma ürünlerinin sayısı gün geçtikçe artmaktadır. Bu ürünlerin sayısının artmasında en büyük etkenler arasında, ülkemizde ve dünyada sayısı gittikçe artmakta olan enerji ve çevre regülasyonları gösterilebilir.
Isıtma ihtiyacının sağlanmasında kombi olarak tabir edilen gaz yakan kazanlar, ülkemizde sıklıkla kullanılan ürünler arasındadır. Bu nedenle kombilerde de enerjinin verimli kullanılması ve yanma sonucu oluşan emisyonlarla birlikte çevreye verilen zararın azaltılması önemlidir. Bu bağlamda konvansiyonel düşük verimli ve yüksek emisyonlu kombilerin üretiminin ülkemizde kontrol altına alınmasıyla ilgili çalışmalar başlatılmıştır. Bu tip düşük verimli konvansiyonel kombilerin yerini, yarı yoğuşmalı ve tam yoğuşmalı kombi modelleri almaktadır.
Çalışmamızda yarı yoğuşmalı kombinin, regülasyonlarda belirtilen NOx emisyon değerlerini sağlamaya çalışırken, CO ve CO2 gibi emisyonların da düşük seviyelerde tutulması için yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Kombinin performans ölçümleri gerçekleştirilerek, çıkan sonuçlara göre, yanma odası grubunun tasarımı oluşturulmuştur. İlk aşamada çok noktalı emisyon ölçüm testleri su soğutmalı, kısmi ön karışımlı atmosferik brülör kullanılarak gerçekleştirilmiş ve yanmanın eşanjör üzerinde ve yanma odası içerisinde nasıl dağılım gösterdiği, emisyon değerlerinin hangi durumlarda arttığı hakkında bilgiler toplanmıştır. Bu bilgiler ışığında, yanma odasının ilk tasarımı oluşturulmuş ve TS EN 15502-1 standardında belirtilen yanma testlerine geçilmiştir.
Yanma testleri sırasında, kombi test koşullarına göre ayarlanıp, test metodunda belirtildiği gibi ayrı bir ünitede çalıştırılmış, test sonucunda elde edilen emisyonlar, ısıl verim, baca gazı sıcaklığı gibi değerler kayıt altına alınmıştır. Test sonuçları elde edilen değerlere göre yorumlanarak tasarıma yön verilmiştir. 
Yapılan çalışmalarda iki temel yanma odası tasarımı oluşturulmuştur. Çok noktalı emisyon testleri neticesinde belirlenen ilk yanma odası tasarımında, yanma odası ön sacı ile brülör arasında boşluk bırakılmıştır. Bu boşluk brülöre yanma havası sağlayan ikincil havanın temel kaynağıdır. İkincil havanın etkisini görmek için yapılan eksik yanma testlerinde, CO emisyon değerleri yüksek çıktığı için bu tasarımdan vazgeçilmiştir.
İkincil havanın yanma üzerinde oluşturduğu olumsuz etkiyi azaltabilmek için literatürdeki çalışmalar da incelenerek, yanma odasının üst kısmının kapatılmasına karar verilmiştir. Böylece ikincil havanın etkisi azaltılarak, daha homojen yanma gerçekleştirilip emisyon değerlerinde iyileşme sağlanması beklenmiştir. İkincil havanın etkisini azaltmakla birlikte, yanma odasının alt kısmında yer alan ve birincil havanın temel kaynağı olan kısımda boşluk oluşturularak, birincil havanın brülörde yanma üzerindeki etkisi daha da arttırılmıştır.
Bu değişikliklerden sonra emisyon değerlerinde iyileşme sağlanmıştır. Kombinin doğrulama testlerinden biri olan, alev kopması testi sırasında alev kopması yaşanmasından ötürü, elektronik kart yazılımında değişikliğe gidilmiştir. Bu değişiklikle, ilk olarak fan devir sayısı ayarlanmış daha sonraki testlerde de elektronik kartın iyonizasyon akım set değeri, güvenlik faktörünü daha da yükseltebilmek için arttırılmıştır. Elektronik kart yazılımındaki değişikliklerden sonra testler olumlu sonuçlanmıştır. Basınç farkı ölçüm testleriyle kombideki ısı girdisi değerlerine göre fan frekansları belirlenerek elektronik kart yazılımına işlenmiştir.
Tez çalışmasının son aşmasında kombinin NOx sınıfı belirlenmiştir. Kombi, 6 numaralı NOx sınıfı içerisinde yer alarak, düşük NOx kombiler arasına katılmıştır. NOx sınıfı belirleme testleri sırasında farklı ısı girdilerine göre, akış ve dönüş suyu sıcaklıkları ve farkları, suya verilen ısıl güç, diğer emisyon değerleri de belirlenerek çalışma sonuçlandırılmıştır.

Abstract:
In our country, almost 20% of our total annual energy consumption is met for our heating needs. The number of heating products which are efficient and will have the least effect on the environment is increasing day by day. Among the biggest factors in increasing the number of these products, energy and environmental regulations in our country and in the world can be shown.
Gas-burning boilers, called combi boilers, are among the products that are frequently used in our country in order to provide heating. For this reason, it is important to use energy efficiently in combi boilers and to reduce the damage to the environment with the emissions resulting from combustion. In this context, studies have been initiated to control and to restrict the production of conventional low efficiency and high emission combi boilers. This type of low-efficiency conventional combi boilers are replaced by semi condensing and full condensing combi boiler and hybrid system combi boiler models which combine the condensing technology and heat pump technology.
In our study, while the semi condensing combi boiler is trying to satisfy the NOx emission criteria which are stated in the regulations, at the same time the studies to keep the emissions such as CO and CO2 at low levels are explained. In order to reduce NOx values, it is investigated how changes in the combustion chamber part of the boiler effect other emissions. Performance measurements of the boiler were realized and the design of the combustion chamber group was formed according to the results. In the first stage, multi-point emission measurement tests were carried out with using a water-cooled, partially pre-mixed atmospheric burner, and data was collected about how combustion is distributed on the heat exchanger and in the combustion chamber. In the light of this information, the first design of the combustion chamber has been formed and the combustion tests mentioned in the TS EN 15502-1 standard have been introduced. We can list these tests as flame lift, incomplete combustion, discharge blockage test, pressure difference measurement test and ionization current measurement. Flame lift test realized under the test condition which is stated in TS EN standard as boiler is adjusted to a heat input equal to 0,95 times the minimum heat input. It is checked that CO concentration should not exceed %0,20 after reference gas replaced by the flame lift limit gas under this test conditions. Incomplete combustion test was done according to TS EN standard. Combi boiler was adjusted to 1,05 times the nominal heat input. The reference gas was then changed with the incomplete combustion limit gas and under these test conditions checked that whether CO concentration was exceed %0,20 or not. Discharge blockage test was done to check at a reduced flow rate of air and combustion products, the CO concentration should not exceed specific values. Progressive blockage of air inlet and progressive blockage of combustion products evacuation chimney was done to comply with TS EN standard. Pressure difference measurement test was done to check, usage of pressure switch instead of tachometer for fan control in combi boiler. Pressure switch controls the combi boiler in case of any blockage of air inlet or chimney to work in safety conditions. With the ionization current measurement test, ionization electrode location in the combustion room was determined according to ionization current values. Flame occurrence in the combustion room is controlled with ionization electrode. Combi boiler adjusted to a minimum heat input and ionization current was measured.
During the combustion tests, the boiler was adjusted according to the test conditions and operated in a separate unit as specified in the test method, the conclusion obtained from the test result and parameters were recorded such as emissions (CO, CO2, NOx), temperature regime, heat efficiency, flue gas temperature, ionization current, fan frequency, pressure difference. The test results were interpreted according to the obtained values and the design was directed. 
In the studies, two different combustion chamber designs have been developed. Initial combustion chamber designed according to multi-point emission test results. In this design there is a gap between the combustion chamber front plate and the burner. This gap is the main source of secondary air providing combustion air to the burner. Then, incomplete combustion and flame lift tests were performed to see the effect of the secondary air open type combustion chamber design. According to test results, flame lift test was successful, but CO emission values were measured high in the incomplete combustion tests to see the effect of secondary air. This design was modified to provide lower CO emission in incomplete combustion tests.
In order to reduce the negative effect of secondary air on combustion, studies in the literature were examined and it was decided to close the upper part of the combustion chamber. Thus, the effect of secondary air is reduced and more homogenous combustion is expected to be achieved and emission values will be improved. The effect of primary air on the burner is further increased by creating a gap at the bottom of the combustion chamber, which is the main source of primary air, while reducing the effect of secondary air.
After these changes, the emission values for the incomplete combustion test were improved. However, due to the flame lift during the flame lift test, which is one of the verification tests of the boiler, process parameter of the boiler and related to that electronic card software has been changed. With this change, firstly the fan speed was set and tested to see the results. After the test results were appropriate, ionization current measurement tests were started. The ionization current measurement test was performed to determine the most proper ionization electrode position in the combustion chamber. According to the test results, ionization current set level increased in the electronic card software to increase the safety factor of the combi boiler. Flame occurrence in the combustion chamber detected by ionization electrode without any problem. After the changes in the electronic card software, flame lift and incomplete combustion tests were appropriate. Besides these, with the pressure difference measurement tests were performed, fan frequencies are determined according to the heat input values in the boiler and processed to the electronic card software.
In the final phase of the thesis, the NOx class of the boiler was determined. After all design changes and improvements in the combi boiler, NOx emission was checked. During NOx class determination tests, flow and return water temperatures and differences, thermal power given to water and other emission values were determined according to different heat inputs. The combi boiler NOx class determined as 6 which is the low NOx combi boiler class.