Hesaplamalı akışkanlar dinamiği metodu ile bir hidrojen yakıcısının soğuk akış model parametrelerinin incelenmesi
Examination of hydrogen burner cold flow model parameters by applying computational fluid dynamics method
Yazar: MUHAMMED EMİN DİKİCİ
Danışman: PROF. DR. ADNAN MİDİLLİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Brülör = Burner ; Enerji = Energy ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Hidrojen = Hydrogen ; Optimizasyon = Optimization ; Türbülanslı akış = Turbulent flow

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı, hesaplamalı akışkanlar dinamiği metodu ile bir hidrojen yakıcısının soğuk akış model parametrelerini incelemektir. Bu kapsamda, standart atmosfer koşullarında hem radyal hem de eksenel yönde hidrojen dağılımı oluşturabilme kabiliyetine sahip bir hidrojen yakıcısının ön tasarımı geliştirilerek soğuk akış model parametreleri belirlenmiş ve bu parametrelere bağlı olarak hidrojenin yanma odası içerisindeki dağılım performans analizi gerçekleştirilmiştir. 

Tez kapsamında kullanılan sınır şartları, literatürde yer alan bir hidrojen yakıcısına ait soğuk akış deneysel ve nümerik analiz sonuçları ile kıyaslanarak valide edilmiştir. Bu bağlamda çalışmalar üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada; 250 m3 /h debi ve 1 eşdeğerlik oranında, yakıcı üzerinde konumlandırılan oksijen ve hidrojen çıkış deliklerine gönderilen debinin oransal dağılımı belirlenmiştir. İkinci aşamada; metal ergitme fırınında ihtiyaç duyulan yakıt debisine bağlı olarak 50 m3 /h – 500 m3 /h debi ve ortalama 0,9 – 1,1 eşdeğerlik oranı arasında tarama yapılarak yakıcıdan çıkan hidrojenin yanma odası içerisindeki dağılım performansının en yüksek olduğu optimum debi ve eşdeğerlik oranı  bulunmuştur. Son aşamada; yanma odasının en boy oranı değiştirilerek en verimli 
yanma odası hacmi bulunmuştur.

Yapılan çalışmalar sonucunda; yakıcı üzerindeki eksenel hidrojen çıkış deliklerinden çıkan hidrojen dağılım oranı 0,25 ve radyal yönde konumlandırılan hidrojen çıkış deliklerinden çıkan hidrojenin dağılım oranı 0,75 olarak bulunmuştur. Birincil teğetsel oksijen çıkış deliklerinden çıkan oksijen dağılım oranı 0,2, ikincil teğetsel oksijen çıkış deliklerinden çıkan oksijenin dağılım oranı 0,5 ve eksenel oksijen çıkış deliklerinden çıkan oksijenin dağılım oranı 0,3 olarak belirlenmiştir. Belirlenen nihai dağılım oranı ile yapılan, debi ve eşdeğerlik oranı taraması sonucunda, en verimli dağılım kabiliyetine sahip debi değerinin 350 m3 /h, eşdeğerlik oranının ise 1,1 olduğu belirlenmiştir. Son aşamada, yanma odasının çapı (=2 m) sabit tutulduğunda, ideal en boy oranının 1, yanma odasının mevcut boyu (=4 m) sabit tutulduğunda ise; ideal en boy oranının 0,375 olduğu görülmüştür. Bu iki en boy oranı, dağılım performansı yönünden karşılaştırıldığında, gaz karışımının oluşturduğu akım çapı ve boyu hız konturları yardımıyla belirlenerek, hacimsel olarak en yüksek dağılım performansının görüldüğü en boy oranının 1 olduğu değerlendirilmiştir.

Elde edilen sonuçlar irdelendiğinde; yanma odası en boy oranı değişimi, yakıcıdan çıkan yakıt ve oksitleyici karışımının basınç kaybı ve yayılım karakteristiği üzerinde son derece etkili olduğu belirlenmiştir. Yanma odası en boy oranının büyümesi durumunda, yakıcıdan çıkan karışımın eksenel akış profilini kaybettiği, benzer şekilde en boy oranının küçülmesi durumunda yakıcıdan çıkan karışımın radyal yöndeki akım formunu bozduğu görülmüştür. Yakıcı aerodinamiği gereği, debi değerinin ve eşdeğerlik oranının artması ile eksenel ve radyal yönde oluşan sirkülasyon hacmi boyutlarının lineer olarak artmaması elde edilen kritik bulgular arasındadır.

Abstract:
The aim of this thesis is to examine the cold flow model parameters of a hydrogen burner using the computational fluid dynamics method. In this context, a preliminary design of a hydrogen burner capable of creating hydrogen distribution in both radial and axial directions under standard atmospheric conditions was developed, cold flow model parameters were determined, and depending on these parameters, the distribution performance analysis of hydrogen in the combustion chamber was carried out.

The boundary conditions used within the scope of the thesis were validated by comparing them with the cold flow experimental and numerical analysis results of a hydrogen burner in the literature. In this context, the studies were carried out in three stages. In the first stage; At a flow rate of 250 m3 /h and an equivalence ratio of 1, the proportional distribution of the flow rate sent to the oxygen and hydrogen outlet holes positioned on the burner was determined. In the second stage; Depending on the fuel flow required in the metal melting furnace, a flow rate of 50 m3 /h-500 m3 /h and an average equivalence ratio of 0.9-1.1 were scanned and the optimum flow rate and equivalence ratio that had the highest distribution performance of the hydrogen coming out of the burner in the combustion chamber were found. In the last stage; The most efficient combustion chamber volume was found by changing the aspect ratio of the combustion chamber.

As a result of the studies carried out; The distribution ratio of hydrogen coming out of the axial hydrogen outlet holes on the burner was found to be 0.25, and the distribution ratio of the hydrogen coming out of the hydrogen outlet holes positioned in the radial direction was found to be 0.75. The distribution rate of oxygen coming out of the primary tangential oxygen outlet holes was determined as 0.2, the distribution rate of the oxygen coming out of the secondary tangential oxygen outlet holes was 0.5, and the distribution rate of oxygen coming out of the axial oxygen outlet holes was 0.3. As a result of the flow rate and equivalence ratio screening performed with the determined final distribution rate, it was determined that the flow rate with the most efficient distribution ability was 350 m3/h and the equivalence ratio was 1.1. In the last stage, when the diameter of the combustion chamber (= 2 m) is kept constant, the ideal aspect ratio is 1, and the current length of the combustion chamber (= 4 m) is kept constant; It was found that the ideal aspect ratio was 0.375. When these two aspect ratios were compared in terms of dispersion performance, the diameter and length of the flow formed by the gas mixture were determined with the help of velocity contours, and it was evaluated that the aspect ratio with the highest dispersion performance in terms of volume was 1.

When the results obtained are examined; It has been determined that the combustion chamber aspect ratio change is extremely effective on the pressure loss and diffusion characteristics of the fuel and oxidizer mixture leaving the burner. It has been observed that if the aspect ratio of the combustion chamber increases, the mixture leaving the burner loses its axial flow profile, and similarly, if the aspect ratio decreases, the mixture exiting the burner distorts the flow form in the radial direction. Among the critical findings obtained is that, due to burner aerodynamics, the circulation volume dimensions in the axial and radial directions do not increase linearly with the increase in the flow rate and equivalence ratio.