Yüksek alev hızlarına sahip endüstriyel yakıcılarda yanma sonucu oluşan emisyonların deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of combustion emissions in industrial burners with high speed flame
Yazar: BARKIN KILIÇ
Danışman: PROF. DR. AHMET SELİM DALKILIÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alev = Flame ; Brülör = Burner ; Doğal gaz = Natural gas ; Emisyon = Emission

Özet:
İnsan nüfusunun dünya genelinde hızla yükselmesi ve teknolojideki gelişmeler ile artan enerji ihtiyacı dolayısıyla enerji kaynakları her geçen gün insanlığın ihtiyacını karşılayabilmek konusunda daha da yetersiz kalmaktadır. Her ne kadar yenilenebilir enerji üzerine çalışmalar ve gelişmeler gerçekleştirilse bile, yatırım maliyetleri ve bazı durumlarda ihtiyaç duyulan enerjinin büyüklüğü sebebi ile yenilenebilir enerji sistemleri kullanılamamakta ya da yeterli olamamaktadır. Endüstrinin en önemli fonksiyonlarından biri olan enerji tüketimini düşürmek bu bağlamda önem arz etmektedir. Bu çalışmada, endüstriyel yakıcılarda enerji verimliliğini arttırmak adına, endüstride sıkça karşımıza çıkan 150 kW kapasiteli standart endüstriyel yakıcılar incelenerek özel bir yakıcı tasarımı üzerinde çeşitli uygun geliştirmeler yapılarak, yüksek alev hızlarına ulaştırılmıştır. Geliştirilen bu ürün endüstride kendisine yüksek hızlı brülör adıyla yer edinmiştir. Yüksek hızlı brülörlerde ortaya çıkan en büyük sorunlardan biri alev hızlarının yüksek olmasıdır. Bu durum, karışım anındaki hava ve gaz hızlarının da yüksek olması anlamına gelmektedir. Dolayısıyla karışım anındaki kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi için gerekli zamanı tanımamaktadır ve karışım performanslarını olumsuz etkilemektedir. Yapılan çalışmalarda ve tasarım sürecinde Solidworks programından yararlanılmıştır. Gerçekleştirilen tasarımlar hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile iç akış analizleri sonucunda elde edilen basınç, yoğunluk, hız ve sıcaklık konturları incelenmiştir. Uygun görülen konturlara ait geometrilerin daha sonra yanma analizleri gerçekleştirilmiş ve gerek alev hızları gerekse emisyon değerlerinde hedeflenen sonuçlara ulaşılmaya çalışılmıştır. Çalışmada araştırma ve geliştirilmesi yapılan ürünün, yukarıda bahsi geçen hedefleri yakalayabilmesi için karışım performansını arttıran bir türbulator tasarımı gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, akışın tüm noktalarda maksimum homojenlikte olmasını sağlamak için hava ve gaz giriş bölgeleri ve debileri gerçekleştirilen analizler sonucunda en uygun şekilde tayin edilmiştir. Yapılan bu çalışmalar vasıtasıyla karışım performansları maksimum seviyelere çekilmiş ve dolayısıyla sisteme giren yakıtın maksimum miktarda yakılması sağlanmıştır. Burada elde edilen avantajlarla birlikte emisyon değerleri olması gereken standartları sağlamıştır. İdeal bir karışma ortamı oluşturulamazsa gaz yanamadan sistemi terk edebilir ve bu da baca atık gazında, istenmeyen sonuçlar ortaya çıkmasına sebep olabilir. Karbon ve azot türevlerinin baca atık gazında standartlarca arzu edilen değerlerde olmaması çevreye ve insan sağlığına çok ciddi hasarlar verebilmektedir. Ayrıca bu gazlar sera etkisine, kükürt ve azot oksitler asit yağmurlarına neden olmaktadır. Havada bulunan karbon türevlerinin miktarı arttıkça, asidik oluşumlar artacak ve asit yağmurları daha çok görülecektir.

Abstract:
Energy resources are becoming more and more inadequate to meet the needs of humanity, due to the rapid increase of the population worldwide and the increasing energy need with the developments in technology. Although studies and developments on renewable energy have been carried out, renewable energy systems cannot be used or are not sufficient due to investment costs and in some cases, the size of the energy needed. In this context, it is important to reduce energy consumption, which is one of the most important functions of the industry. In this study, to increase energy efficiency in industrial burners, various implementations were made on a standard industrial burner of 150 kW, which is frequently encountered in the industry, and high flame speeds were achieved. This product developed has gained a place in the industry with the name of high-speed burner. One of the biggest problems with high-speed burners is the high flame velocities. This means that the air and gas velocities at the time of mixing are also high. Therefore, it does not allow the time required for chemical reactions to take place at the time of mixing and adversely affects the performance of the mixture. Solidworks program was used in the studies and design process. Computational fluid dynamics and pressure, density, velocity, and temperature contours obtained as a result of internal flow analysis were examined. Afterwards, burning analysis of geometries belonging to the appropriate contours were performed and aimed results were tried to be achieved in both flame velocities and emission values. In the study, a turbulator design that increases the mixing performance of the product, whose R&D is made, has been realized to achieve the targets mentioned above. In addition, to ensure that the flow is at maximum homogeneity at all points, the air and gas inlet regions and flow rates have been determined in the most appropriate way because of the analyzes carried out. By means of these studies, the mixture performances were maximized and therefore the maximum amount of fuel entering the system was burned. With the advantages obtained here, the emission values have been drawn to the standards that should be. If an ideal mixing environment cannot be created, the gas may leave the system without burning and this may cause undesirable results in the flue waste gas. The fact that carbon and nitrogen derivatives are not at the desired values in flue waste gas by the standards can cause serious damage to the environment and human health. In addition, these gases cause greenhouse effect and sulfur and nitrogen oxides cause acid rain. As the amount of carbon derivatives in the air increases, acidic formations will increase, and acid rain will be seen more.