Dolaşımlı akışkan yatakta ısı transferi mekanizması ve bu mekanizmanın kuramsal ve deneysel analizi
Experimental and theoretical analysis of heat transfer mechanism in circulating fluidized bed
Yazar: OĞUZHAN ERBAŞ
Danışman: PROF. DR. ALİ DURMAZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Akışkan yatak = Fluidized bed ; Deneysel analiz = Experimental analysis ; Isı geçişi = Heat transfer ; Kuramsal model = Theoretical model

Özet:
Standart dışı düşük kaliteli yakıtları tam yanma koşullarına uygun ve içsel SO2,NOx emisyonu tutma özellikleri nedeniyle doğrudan yakabilecek en uygunteknoloji, genelde akışkan yatak, özelde ise dolaşımlı akışkan yatak (DAY)yakma teknolojisidir. Burada yatak sıcaklığının 850-950 °C`de tutulmasınabağlı olarak uygun adsorbent ilavesi ile SO2'nin tutulması ve NOx oluşumununazalması sonucu genelde ilgili baca gazı arıtma tesislerinin kurulmasına gerekkalmamaktadır. DAY'lı kazanlarda yatağın çok yoğun türbülanslı olması veyanma odasını doldurması nedeni ile ısıtma yüzeylerine olan ısı transferi, diğeryakma sistemlerine kıyasla çok daha büyüktür. Bu durum yanma odasının veısıtma yüzeyi boyutlarını, dolayısıyla ilgili yatırım maliyetlerini düşürmektedir.Dolaşımlı akışkan yataklı sistemlerde, ısıtma yüzeyine olan ısı transferi, yatakçekirdek akım bölgesi ile yüzey arasında, ısıtma yüzeyinin yakın çevresindebulunan partikül kümelerinin ve dağılmış fazın dinamik davranışının bileşkeseletkisi altında oluşur. Bu çalışmada akışkan yatak ile duvarda konumlananısıtma yüzeyi arasında ve yatak ekseninde konumlanan daldırma yüzeyi ileyatak arasındaki ısı transfer özellikleri, bu amaca yönelik tasarımlanmış vegeliştirilmiş bir test sisteminde deneysel olarak incelenmiştir. Çeşitli yatakmalzemeleri ve test koşullarında ısı transfer özellikleri deneysel olarakbelirlenmiştir. Deneysel sonuçlar sadece test koşullarındaki ısı transferiidavranışını ifade ettiğinden, ölçüm sonuçlarının genel olarak tüm sistemlereuygulanabilirliğini sağlayacak matematiksel korelasyonların türetilmesi yolunagidilmiştir. Bu çalışmada, deney tasarım ve işletme verileri modelintanımlanmasında kullanılan boyutsuz parametreler biçimine dönüştürülmüş,modeli tanımlayan ve tanımında baskın olan üssel fonksiyonlar, ölçümdeğerlerinin kullanıldığı regrasyon analizleri ile belirlenerek, ?yenilenen kümemodeli? ölçüm sonuçlarını minumum sapma ile ifade edebilecek biçimegetirilmiştir. Bu yaklaşım ile elde edilen yeni korelasyonlar endüstriyelboyuttaki ısı transferi hesaplarında ve ısıtma yüzeylerininboyutlandırılmasında kullanılabilir. Buna göre sistemdeki ölçme hataları da(±%10) dikkate alınırsa yenilenen küme modelinin literatürde verilenkorelasyonları, gerçek ısı transferi davranışını düşük yoğunlukta (silis kumu,kum, alüminyum tozu) % 30, yüksek yoğunlukta (bakır, çelik tozu) % 43ortalama sapma ile ifade ederken, bu çalışmada geliştirilen yeni korelasyonlar,gerçek ısı transferini düşük yoğunlukta % 19, yüksek yoğunlukta ise % 27ortalama sapma ile tanımlamaktadır. Yeni model, gerçek ısı transferiniliteratürde verilene kıyasla düşük yoğunluklu yatakta % 11, yüksek yoğunlukluyatakta ise % 16 daha az sapma oranı ile tanımlayabilmektedir.Anahtar Kelimeler : Akışkan yatak, ısı transferi, deneysel ve kuramsal analiz,yenilenen küme modeli, benzeşim

Abstract:
Fluidized bed and particularly circulating fluidized bed combustion technologyis the appropriate technology to directly burn low quality lignite because of thementioned combustion technologies ability to hold internally SO2 and NOxemissions. With this combustion technology and keeping the bed temperaturebetween 850-950 ºC and also with the addition of absorbents emissions of SO2and NOx are reduced. As a result, construction of expensive emission filteringsystems can be avoided. In circulating fluidized beds highly turbulent bed fillsthe combustion chamber and this mechanism tremendously increases heattransfer. As a consequence of increased heat transfer from the sizing point ofview overall dimensions of the combustion chamber heat transfer area andinvestment coast as well can be reduced. In circulating fluidized beds, heattransfer to the heating surfaces can be determined from the combination ofseveral different dynamics interaction mechanisms including between bed coreflow region and surface, particularly cluster near flow region of heating surfaceand dispersed phase. In this study, heat transfer characteristics betweenfluidized bed and heating surface on the wall and between bed and immersesurface perpendicular to bed axis have been experimentally investigated, on asetup designed for this purpose. Heat transfer characteristics have beendetermined for different bed materials and test conditions. To generalize theexperimental results and to be able to use them for out of range valuesiicorrelations have been obtained. In this study, experimental design and workingparameters have been obtained in dimensionless form. Power law functionswhich govern the model have been obtained through regression analysis tocorrelate test results according to a ?cluster renewal model? with minimumdeviation. Correlations can be used for heat transfer calculations (rating) andsizing problems for industrial scale applications. In the developed modeluncertainties including measuring errors were around 10 %. In the literature,previous models were able to predict heat transfer with 30 % standarddeviation for the low density case (silica sand, sand, aluminum) and 43 %percent standard deviation for high density case (copper, steal). With the?cluster renewal model? developed from this study low density case heattransfer can be correlated with 19 % standard deviation and for high densitycase devotion is within 27 %. With this new model, in low density bed 11 % andin high density bed 16 % improvement in the prediction have been obtainedcompared to previous available model.Key Words : Fluidized bed, heat transfer, experimental and theoreticalanalysis, cluster renewal model, scale-up