Ön karışım odalı özgün bir ark plazma torçun termodinamik modelinin geliştirilmesi ve deneysel performansının araştırılması
Experimental performance investigation and thermodynamic model development of a novel arc plasma torch with pre-mixture chamber
Yazar: HANDAN DEMİRÇAY
Danışman: PROF. DR. ADNAN MİDİLLİ ; PROF. DR. İBRAHİM DİNCER
Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, ön karışım odalı özgün bir ark plazma torçun termodinamik modelinin geliştirilmesi ve deneysel performansı araştırılmıştır. Bu amaçlar için kuru hava, kızgın su buharı, argon ve azot gibi dört farklı iş akışkanı içeren beş farklı çalışma modu dikkate alınmıştır ki bunlar i) İş akışkanı için kuru hava içeren Mod 1, ii) Kızgın su buharı-kuru hava karışımı içeren Mod 2, iii) Kuru hava ve argon karışımı içeren Mod 3, iv) Kuru hava ve azot karışımı içeren Mod 4, v) Kuru hava-argon-azot karışımı içeren Mod 5. Bu modlar dikkate alınarak ark plazma torçun deneysel performansı araştırıldı ve Termodinamiğin Birinci Kanunu kapsamında deneysel veriler kullanılarak enerji analizi gerçekleştirildi. Bu kapsamda ark plazma torçun performans değerlendirmesini yapmak için gerekli olan plazma entalpisi, plazma enerji akımı, çillerin plazma torçu soğutma kapasitesi ve plazma torç verimi gibi parametreler hesaplandı. Sonuç olarak, ark plazma torç enerji verimi Mod 1 de %85,6; Mod 2 de %86,4; Mod 3 te %85,3; Mod 4 te 85,4 ve Mod 5 de %86,3 olarak hesaplandı. Ark plazma torçun en yüksek verimi kuru hava ve kızgın su buharının kullanılması durumunda elde edildi. Bunun manası kızgın su buharı, ark plazma torçun performansını arttırmak için önemli bir iş akışkanı olarak düşünülebilir. O halde bu çalışmanın, plazma yakma, plazma piroliz ve plazma gazlaştırma gibi endüstriyel uygulamalar için önemli bir kaynak olacağı beklenmektedir.

Abstract:
In this thesis, experimental performance investigation and thermodynamic model development of a novel arc plasma torch pre-mixture chamber are carried out. For these purposes, including four different working fluids (dry air, superheated water vapor, argon and nitrogen) five different operating modes are considered. They are i) Mode 1 including dry air as working fluid, ii) Mode 2 containing mixture of dry air and superheated water vapor, iii) Mode 3 with mixture of dry air and argon, iv) Mode 4 using mixture of dry air and nitrogen, v) Mode 5 utilizing mixture of dry air, argon and nitrogen. Taking into consideration these modes, experimental performance of arc plasma torch is investigated. In terms of the First Law of Thermodynamics, energy analysis is performed by using the experimental data. In this regard, the following parameters required for performance evaluation of arc plasma torch are calculated, which are enthalpy of plasma, energy flow rate of plasma, cooling capacity of chiller,  and plasma torch efficiency. Consequently, it is estimated that arc plasma torch energy efficiencies are to be 85.6% in Mode 1, 86.4% in Mode 2, 85.3% in Mode 3, 85.4% in Mode 4 and 86.3% in Mode 5. The highest efficiency of arc plasma torch is obtained in case of the utilization of dry air and superheated water vapor. It means that superheated water vapor can be considered as a crucial working fluid to increase the arc plasma torch performance. Thus, it is expected that, this study will be important source for industrial applications such as plasma gasification, plasma combustion and plasma pyrolysis processes.