Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile reküperatör tasarımı ve ısıl analizi
Designing recuperator and its thermal analysis with the method of computational fluid dynamics
Yazar: ONUR ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: ANSYS = ANSYS ; Akış analizi = Flow analysis ; Akış sistemleri = Flow systems ; Akışkanlar dinamiği = Fluid dynamics ; Analiz = Analysis ; Atık ısı = Waste heat ; Isı boruları = Heat pipes ; Isı geçişi = Heat transfer ; Isı transferi =   ; Reküperatör = Recuperator

Özet:
Üretim teknolojisinin hızla gelişmesi ile fosil yakıtların verimli kullanımı için ergitme ve tav fırınlarındaki CO_2 salınımı en fazla dikkat edilmesi gereken unsurdur. Atık ısı geri kazanım sisteminin yoksunluğu ve ergitme fırınlarında yanma veriminin arttırılması için ek çabalar harcanmadığı takdirde ne yakıt tüketiminde ne de CO_2salınım azaltıcı hedeflerin hiç birinin yerine getirilmesi imkansız durumu gelecektir. Dolayısıyla küresel ısınma için sera etkisi ve hava kirliliği,endüstriyel fırınlardaki artan yakıt tüketimi ile ciddi boyutlara ulaşacaktır. Endüstriyel alanda gerçekleşecek bu durumun önüne geçebilmek için değerli olan atık ısının havaya direkt olarak atılmadan önce enerjisinin bir kısmını geri kazanabilecek atık ısı geri kazanım sistemlerine gerek duyulmaktadır. Endüstriyel alanda kullanımı giderek artması ile piyasada rekabetin arttırılması için ergitme ve tav fırın sıcaklıklarına göre farklı tasarımların geliştirilmesi sağlanmıştır. Aynı zamanda az teorik ömüre sahip olan sistemler için hem malzeme cinsi hem malzeme üzerine kaplama yöntemleri üzerine de araştırma ve geliştirmeler sürmektedir. Genel itibari ile sanayilerde bulunan ergitme ve tav fırınlarında iki tip atık ısı geri kazanım sistemi bulunmaktadır. Bunlar sırasıyla reküperatörler ve rejeneratörlerdir. Özellikle rejeneratörlere oranla daha az yer kaplayan ve fırınadaha uniform (eş değer) sıcaklıkta yakma havasının gönderilmesini sağlayan reküperatörler, kullanımı giderek artmaktadır. Endüstriyel reküperatörler içerisinde atık gaz sıcaklığına bağlı olarak modüler alternatif tasarımların sunulması ve bu tasarımlarınatık gazın ısıl enerjisinden iki kez taşınım yoluyla ısı transferini gerçekleştiren kanal tipi reküperatörler, enerjinin yoğun tüketildiği bir çok sanayide tercih durumuna gelmiştir. Kanal tipi reküperatörler günümüzde çalışma sürelerine bağlı olarak teorik ömür süreleri 2-4 yıl arasındadır. Değerli atık ısının daha fazla geri kazanımı ve teorik ömür sürelerinin arttırılması için kanal tipi reküperatörleraraştırma ve geliştirmelerin temel odak noktası durumundadır.
Bu yüksek lisans tez çalışmasında, ticari kanal tipi reküperatör üreticisinin bir çelik üretim tesisinde belirlemiş olduğu ısıl veriler dikkate alınarak, reküperatör tasarımı nümerik hesaplamalar ile elde edilmiştir. Çelik üretim tesisinin reküperatör sistemi için ayırdığı bölgeye istinaden tasarım kriterleri dikkate alınarak boru dizilim optimizasyonu yapılmıştır. Yakma havasının reküperatöre giriş ve çıkışında 14 adet boylamasına 13 adet ise enlemesine boru adetleri olacak şekilde tasarımı yapılmıştır.
Hesaplamalı akışkan dinamiği yöntemi için hesaplama süreleri önemli bir parametredir. Dolayısıyla tasarlanan reküperatörün enlemesine 1/26'sı alınarak sonlu elemanlara dönüştürülmesi sağlanmıştır. Ticari reküperatör üreticisi tarafından verilen ısıl değerlere istinaden elde edilen nümerik hesaplamalar aynı şekilde 1/26'lık sistem için oluşturulmuştur. Taşınım yoluyla ısı transferini gerçekleştirecek olan sistemin boru (duvar) yüzey bölgeleri sayesinde oluşan hız ve ısıl sınır tabakalarının nümerik hesaplanması yapılmış olup. ANSYS mesh yazılımı ile 1/26'lık reküperatör modelinin sonlu elemanlara dönüştürülmesi sağlanmıştır.
FLUENT yazılımı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözümlemeleri için 1/26'lık modelden elde edilen nümerik hesaplamalar, atık gaz ve yakma havası için sınır şartları oluşturmuştur. Özellikle sanayi akış problemlerinde, k-ε türbülans modeli seçimi yapılarak çözümleme yapılır. Bu türbülans modelinin en gelişmişi olarak realizable k-ε türbülans modeli çözümleme için kabul edilerek kontrol hacimlerinde akışın incelenmesinde yararlanılmıştır. Birinci dereceden ve ikinci dereceden nümerik ayrıklaştrma yöntemleri kullanılmış ve birbirleriyle karşılaştırılması yapılmıştır. İkinci dereceden ayrıklaştırma yönteminin daha hassas sonuçlar üretmesi sebebiyle akışın modellenmesi ve incelenmesi için elde edilen değerler dikkate alınmıştır. Ayrıca sonuçların örgü (mesh) yapısına bağlı olup olmadığı da kontrol edilmiştir.
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yönteminde elde edilen sonuçlar ile nümerik olarak tasarımı yapılan reküperatörün karşılaştırılması yapılmıştır ve sonuçlar arasında ufak farklılıklar görülmüştür. Bunlar ise sırasıyla yakma havasının biraz daha fazla yüksek sıcaklığa ulaşmasından ve atık gazın ise daha düşük sıcaklıkta sistem atılmasından kaynaklanmıştır. Ticari reküperatör üreticisitarafından yapılan reküperatör tasarımı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile elde edilen sonuçların yakıt tasarruf oranları üzerine karşılaştırılması yapılmıştır. Modelin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile çözümüyle elde edilen değerlere istinaden yakıt tasarruf oranının yaklaşık %24 olduğu görülürken, ticari reküperatör üretici tarafından aynı ısıl şartlara istinaden yapılmış tasarımda ise bu değer %17,84'tür. Ayrıca nümerik olarak hesaplanan reküperatör tasarımının elde edilen ısıl verimliliği (etkenliği) %45,22 iken, modelin hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi kullanılarak çözümünde elde edilen verim değeri ise %49,4 olduğu görülmüştür.

Abstract:
With the fast development of advanced manufacture technology,efficient use of fossil fuels and reducing CO_2 are very outstanding on the top priority list for melting furnaces.Without the increasing efficiency contribution of melting furnaces and waste-heat recovery systems, it would not be possible to success the fuel consumption and CO_2 emission reduction targets. Nowadays, the rate of global warming,greenhouse effect and air pollution have tremendously increased because of combustion gases. Therefore, there has been put into action new regulation and applications on exhaust gas emission problems. Researchers and industrial partnership that have been working on how emissions level are minimal to have been taken into consideration efficiency of melting furnacesas far as possible. The points to consider are what types of waste-recovery system are used and made choice of materials that are such a massive critical as well as having been predicted convective heat transfer that puts into practice. The reason all parties dwelling on is waste heat that is produced by burning a fossil fuel, usually natural gas. In order to improve the furnaces energy efficiency, the exhaust gas from furnaces is used to preheat the air used in the combustion process. A number of heat exchanger designs are available for preheating the combustion air. Some studies have addressed materials issues associated with recuperator designs. Experience has shown that lifetimes of recuperator tubes in the highest temperature locations are often in the 2 to 4years range. In order to improve the lifetime of these tubes is to need to take into consideration the very smooth burning practices but for materials used in waste-heat recovery.
Channel type recuperators, gas-gas heat exchanger and cross flow recuperator, one of the most developing heat exchangers equipment in industrial areas. The reasons why they have made real double time heat transfer in around all tubes that are welded on any piece of metal in recuperators, taking small spaces in comparison with newly or conventional regenerators that are in need for larger spaces, having different magnitudes (scales) depending on a wide range of flue gas temperatures that are dumped into environmental, having compact and modular types are found in industrial areas.
In this study, channel type recuperator fabricator has defined thermal limit values and a variety type of recuperator designs have been made. But both waste gas and pre-heated air has not simply been equal in terms of both fluids thermal energy (taking into cosideraton inlet and outlet parameters entering and leaving to recuperator) and heat transfer per unit time depeding on mean temperatures of both fluids. Some tubes-array arrangement has been made. But (2xd_d) double tube diameters distance between two tubes has been decided on. It means that tubes area have been dramtically decreased in cross section of top plane not to incrase pressure losses in control volume of recuperator. Because pressure losses are most impacted criteria as hydrodinamics parameters. That is why blokage ratio (β) has been taken into consideration. Blokage ratio also make a clear effect on local Nusselt numbers on tube surfaces. β=0,5 has been accecpted as almost optimumvalue that is between both pressure losses and local Nusselt numbers over tube banks surfaces as some studies has pointed out. 
Numerically calculated and accepted mean velocity in and over tubes has been more realiable value to provide for turbulence flow (stepping up on critical Reynolds number in and over tubes) that is inevitable to used in industrial area with reference to channel type recuperator fabricator has defined thermal limit values .All tubes-array has been arranged 14x13 horizantally and vertically in both pre-heated air inlet and outlet of recuperator. Stainless steel is the most common material used in recuperative systems. Because it provides for convective heat transfer per unit area as far as possible. But thermal conductivity of material and conduciton heat transfer of recuperators that has been desinged are not worthy of note. That's why nurtured heat transfer of all tubes are convective heat transfer.
Some CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis has been done. All analysis have been taken into consideration to reach steady-state conditions. Because recuperators have been acccepted to work continuously under accecpted/spesified volumetric waste gas flow rate. 
Designed recuperator model has been splitted up to 26 not to make more finite element and contribute economically. ANSYS mesh has been used in attaining finite element to analysis in computational fluid dynamics (CFD). Meshes nearer to tube walls have been taken into consideration to show viscous flow and to provide far from the tube walls different pyhsical properties. Flow inside tubes are be found turbulence regime with reference channel type recuperator fabricator thermal limits. But waste gas flow regime has laminar boundary layer (and seperation), having subcritical Reynolds number, controversy to flow in tubes. That is why accepted value is y^+=1 for waste gas flow. However, y^+=30 is accepted in internal flow inside tubes. First layer thickness and total boundary layer thickness have been calculated numerically. Equation of state  y^+=u^+ is accecpted over tube surfaces in waste gas fluid domain, that is, it has been accecpted in linear law of the wall. However, first layer thicknes of internal flow inside tubes are relevant to log-law that had been published by von Karman. As for total boundary layer thickness of internal flow of inside tubes, it has been almost equally accepted as internal diameter of tubes. That is why ithasbeen accepted all internal flow of inside tubes. Total boundary layer thickness over tube surfaces in waste gas fluid domain has been calculated numerically with regard toregarding equation that have been admitted and used for tube surfaces. As for waste gas fluid domain, first layer thickness and maximum layer thickness of total boundary layer thickness have been numerically calculated  as linear changes y^+=u^+. On the other hand, maximum layer thickness in internal flow of tubes has been numerically calculated as log-law (lny^+). Another important thing is skewness and  it has been taken into consideration to be less value than 0,98.
FLUENT helps solution of computational fluid dynamics problems out with all regarding industries. k-ε turbulence model is the most preferred turbulence model in industrial process but for havingaccuracy values. Subdivision of k-ε turbulence model, realizable k-ε turbulence model has been chosen, as to have more accuray than standart k-ε turbulence model. Moreover it is the lasted developed turbulence model. Pressure based coupled solver that is convenient to a wide range of flow situations including single phase, multi phase incrompressible, compressible flow, has been chosen and has more time-consumingthan standard pressure solver. But it gets better results. 
Waste gas and pre-heated air have been chosen and accepted to exhibit incompressible ideal gas behavior. Then both fluid densities have been a polynomial function of temperature changes with regard to contunity equation.Similarly as for c_p, k and μ values are variables to temperatures changes polynomially. All inlet and outlet boundary conditions have been defined to the degree ratio 1/26 of recuperator. But it not shoud be forgotten that channel type recuperator fabricator has given thermal limit values. 2nd upwind scheme is better accuracy to get better results than first upwind discretization method in turbulence models. Therefore first, first upwind scheme has been chosen to see what results have been. Then second upwind scheme has been used to get better accuracy results. Mesh dependency is always crucial criteria in CFD applications. That is why all results have been gotten has been shown whether or not mesh independency is. Because mesh of all finite elements of any model must not give results differently to mesh changes. All discretization methods are used in FLUENT has been solved in time independency, that is, reaching steady state condition.
In conclusion, both results of first and second upwind schemes have reached steady state in different iteration numbers. Especially mean velocity and mean temperature values make combustion chamber important. That's why two  parameter contours have been reviewed. All inlet, outlet mean temperatures and mass flow have been compared between in numerically calculated recuperator design and the design that channel type recuperator fabricator has made. Model results that have been solved by computational fluid dynamics are accuracy to almost numerical calculated recuperator design. Moreover, another thing is, there has been seen a little bit difference between in both numerically calculated recuperator design and 1/26 model that has been solved by computational fluid dynamics. Reasons of differences area bit much increased preheated-air temperature and decreased waste heat gas temperature in outlet of recuperator, respectively. Therefore it has been seen that there is a little bit differences in efficiency. Efficiency of 1/26 model that has been solved by computational fluid dynamics and numerically calculated recuperator efficiencies are %49,4, %45,22, respectively. In additon to recuperator efficiency, fuel saving rate values of the model involving in 1/26 of recuperator used incomputational fluid dynamics method and channel type recuperator fabricator are %24, %17,84, respectively. Reasons of difference between both saving rates are a little bit more increased preheated temperature and volumetric flow rate reaching to combustion chamber. A fully developed turbulent flow inside tubes (internal flow) madecome true in pre-heated air fluid domain as tube lengths are enough to get it. β, blokage ratio also has retarded boundary layer seperation over tubes that has come true, separations have been seen 100° and 110° in counter clock-wise over tube surfaces. Finally it is necessary to be spesified that before pre-heated flow that has not been entered to secondary tube banks, small regions of plenum is nearer to secondary tube banks, downward to secondary tube banks, it has heen seen that flow has not been reached there. That's why it has been suggested and thought of newly design alternative of plenum regions.