İYİLEŞTİRİLMESİNİN HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ ANALİZLERİ İLE İNCELENMESİ

Barkın KILIÇ, Furkan HAMZAOĞLU, Semih KORKMAZ, Onur SALCI, Emir BİNGÖL Termo Isı Sistemleri A.Ş., Araştırma Geliştirme Departmanı, Tekirdağ / Türkiye

Öz: Yakıt ve oksitleyici maddelerin farklı yöntemler ile karıştırılarak ısı enerjisinin üretildiği makinelere yakıcı adı verilir. Yakıcılarda elde edilen enerji geleneksel sistemlerde ev, işyeri, kafe gibi mahallerin ısıtılması için kullanılabilir. Bu sistemler ısıtma amacı dışında da birçok proseste kullanılmaktadır. Bu proseslere örnek olarak sertleştirme, tavlama, menevişleme, ergitme, pota ısıtma, cam endüstrisi gibi yüksek enerjiye ihtiyaç duyulan sistemler verilebilir. Gaz, sıvı ve katı fazlarda bulunan yakıtlar bu sistemlerde kullanılmaktadır. Örneğin; gaz fazında metan, etan, propan, hidrojen, doğal gaz; sıvı fazında motorin, dizel ve katı fazında kömür gibi yakıtlardır. Gaz yakıtlı yakıcılarda bulunan yanma sistemi genel olarak endüstride ventil adı verilen gaz vanaları vasıtasıyla makineye iletilen yakıcı gaz ile ve harici ya da dahili olarak yakıcıya bağlı olan bir fan vasıtası ile sisteme iletilen oksitleyicinin yakıt içerisinde belirli bir oranda karıştırılarak yakılması prensibine dayanır. Katı ve sıvı yakıcılarda ısı enerjisi üretmek için kullanılan fan ve ventil kısımlarında elektrik enerjisi tüketilmektedir. Yakıt kullanılan sistemlerde ayrıca yakıt için bir fan veya pompa sistemleri kullanılabilir. Bu sistemlerde de elektrik enerjisi kullanılmaktadır. Yapılacak olan bu çalışmada gaz yakıtlı bir yakıcı sisteminde tüketilen elektrik enerjisinin sabit tutularak üretilebilecek olan ısı enerjisinin arttırılması hedeflenmiştir. Ayrıca ilgili çalışma endüstride Termo Isı Sistemleri A.Ş.’nin standart olarak kullandığı yakıcının ürettiği ısı enerjisinin belirli limitlerde maksimuma nasıl çıkarıldığını, fiziksel testini ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi ile validasyonunu içermektedir.

Anahtar Kelimeler: Brülör, Endüstriyel Yakıcı, Fan, Enerji Verimliliği, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, Bek

GİRİŞ ve KURAMSAL ÇERÇEVE

Dünya genelinde hızla artan nüfus ve teknolojideki gelişmeler ile birlikte enerji ihtiyacındaki artış nedeniyle ilgili enerji kaynakları her geçen gün insanlığın ihtiyacını karşılayabilmek konusunda daha da yetersiz kalmaktadır. Her ne kadar yenilenebilir enerji üzerine çalışmalar ve gelişmeler gerçekleştirilse de, yatırım maliyetleri ve bazı durumlarda ihtiyaç duyulan enerjinin büyüklüğü sebebi ile yenilenebilir enerji sistemleri kullanılamamakta ya da yeterli olamamaktadır. Endüstride kullanılan cihazların enerji tüketimini düşürmek ve enerji verimliliğini arttırmak özellikle günümüzde büyük önem arz etmektedir (Hamzaoğlu, 2019).

kontrol edilmektedir. Kolaylıkla gerçekleştirilen yöntemde yanma havası ve gazın hava gaz oranının ayarlanması için kompanzasyon sağlanmaktadır. (U.S. Patent No. 5,106,294, 1992)

Gaz brülörü içinde kullanılan, yanabilir hava ve gaz karışımının elde edilebilmesi için çıkış bölümünden yanma gazlarının beslemesinin yapıldığı (FGR), bir radyal tip fan ile ilgilidir. Fan spiral şekilli kanatlar içeren ve yataklaması rotasyonel eksende hava sağlayan çıkışa sahiptir. Fan salyangoz gövde içerisine montajlanıp, bir elektrik motoru ile tahriği sağlanmaktadır. %20 alan tasarrufu sağlayan kompakt bir tasarım geliştirilmiştir. Fan gövde içerisinde yanma gazları ve hava karışımının yanması önlenmiştir.

Gövde içerisinde bulunan fan kanatları değişik malzemeden imal edilebilmektedir. Elektrik motoru çevre alanından tasarruf sağlanması amacıyla gövde içerisine konumlandırılmıştır. (U.S. Patent No.

8,128,355, 2012) AMAÇ

Bu çalışma, standart olarak endüstride kullanılan yakıcılara odaklanmaktadır. Endüstri ile akademiyi birleştirerek, literatürü destekleyebilmek için testlerin sonuçlarını ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonu kullanılarak basınç, hız ve hacimsel debi değerlerini yorumlayarak, verimliliği arttırmayı amaçlamıştır.

KAPSAM

Bu çalışma tasarımı önceden yapılmış olan standart endüstriyel yakıcının harcadığı enerjinin sabit tutularak, yakıcının ürettiği ısı enerjisini belirli limitlerde maksimuma çıkarmayı, fiziksel testini ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi ile validasyonunu içermektedir.

YÖNTEM

Çalışmalar kapsamında hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemlerinden faydalanılarak, FloEFD programı üzerinde fan analizleri gerçekleştirilmektedir.

Tasarlanmış olan ve bundan sonra "standart model" olarak anılacak ürün monoblok bir gövde yapısına sahip olmaktadır. Monoblok olarak adlandırılan yakıcı gövdesinde entegre bir radyal fan bulunmaktadır.

Yüksek doğruluk sağlayabilmek adına fan geometrisi ve yakıcı geometrisi birebir olarak programa aktarılarak fan rotasyonu tanımlanması vasıtası ile maksimum hava debisi hesaplanmaktadır. Böylece geometrik değişikliklerin etkisini aynı fan tasarımı üzerinde değerlendirmek mümkün olmaktadır.

Çalışmalar sırasında yakıcı üzerinde iki farklı yöntem ile iyileştirmeler elde edilmeye çalışılmaktadır.

Endüstride türbulator adı verilen yakıcı karışım başlığı üzerinde havanın gaz ile buluşmadan önce yönlendirilmesini sağlayan bir yakıcı parçası bulunmaktadır. İlgili yöntemlerden ilki endüstri de türbulatorun üzerinde bulunan hava geçiş delik çaplarının değiştirilmesi ve ikincisi ise, türbulator öncesinde alev borusu adı verilen ve akışın düzelmesini sağlayan kısımda boru çapının değiştirilmesidir.

Tasarımsal olarak yapılabilecek olan birçok geometrik değişiklik mevcut olmakla birlikte, hedeflenen etkiyi göstereceği havanın geçeceği alan hesaplarının yapılması ile öngörülen bu yöntemler bu çalışmada değerlendirilmektedir.

Resim 1. Standart Yakıcı Üzerinde Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Fan Analizleri İle Hesaplanan Dört Farklı Lokasyondaki Ortalama Basınç, Hız Ve Hacimsel Debi Değerleri Firmanın üretiminde bulunan geleneksel yakıcılar üzerinde yapılan ölçüm metodu kısaca şöyle özetlenmektedir:

Yakıcı alev borusu kısmından ölçüleri belli olan bir kanal bağlantısı yapılarak akışın düzeltilmesi amaçlanmıştır. Yakıcının çıkış ağzındaki düzeltilen akışın hızı, yine aynı lokasyondaki dokuz ayrı noktadan anemometre yardımı ile ölçülmektedir. Bu sayede ortalama hız verisine ulaşılması amaçlanmıştır.

Kanal ölçüleri bilindiğinde hava debisi miktarı belirlenmektedir. Hava kanalı üzerinde bulunan purjör vasıtası ile kanal içerisinde oluşan basınçlar ölçülmektedir. Fan motoru üzerinde bulunan akım değerleri kontrol edilerek fanın çalışma kapasite eğrisine uygunluğu, performansı, basınç kayıpları gibi test sonuçları firmamızın teknikerleri tarafından kontrol edilmektedir.

Yakıcıların arzu edilen kapasite değerlerinde belirlenen uygun gaz miktarı bilindiğinden gerekli hava debisi miktarı ve karşı basınç altında çalışabileceği sınır değerleri bilinmektedir. İlgili kapasite değerlerinde belli olan koşullar altında gerekli gaz ve hava debi miktarları ile test sonuçlarında elde

SONUÇ

Tablo 1. Test Sonucunda Elde Edilen Bulgular

Resim 2. Standart Yakıcının Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Fan Analizleri İle Hesaplanan Dört Farklı Lokasyondaki Ortalama Basınç, Hız Ve Hacimsel Debi Değerleri

Yukarıdaki tablo 1’de test sonucunda elde edilen bulgularına ve resim 2’de standart yakıcının hesaplamalı akışkanlar dinamiği fan analizleri ile hesaplanan dört farklı lokasyondaki ortalama basınç, hız ve hacimsel debi değerlerine ulaşılmaktadır. Aşağıdaki Tablo 2’de standart yakıcının test ve analiz sonuçlarının karşılaştırılmasının validasyonu yapılmaktadır. Sonuçların yakınsadığı ve birbirleriyle validasyonu aşikardır.

Fan Basıncı (mbar)

Tünel Çıkış Kesiti Hava Ortalama Hızı (m/s)

Debi (m³/h)

Test Sonucu 21,6 9,32 2292

Analiz Sonucu (FloEFD) 21,01 9,122 2246,9

Tablo 2. Standart Yakıcının Test Ve Analiz Sonuçlarının Karşılaştırılması

Elde edilen validasyon ile standart yakıcı üzerinde fiziksel iyileştirme çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmalarda verimliliğin ve kapasitenin arttırılması amacı ile hava geçiş alanlarının arttırılması için türbulator üzerindeki deliklerin ve alev borularının çapları revize edilmektedir. Resim 3,4,5 ve 6’da yapılan revizyonların hesaplamalı akışkanlar mekaniği analizleri ile karşılaştırılarak, çıkıştaki hacimsel debinin arttırıldığı dolayısıyla kapasitenin ve verimliliğin de yükseldiği görülmektedir.

Resim 2. Standart Yakıcının Türbulatorunun Üzerindeki Deliklerin Çapları Dört Milimetre Olması Üzerine Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Fan Analizleri İle Hesaplanan Dört Farklı

Lokasyondaki Ortalama Basınç, Hız Ve Hacimsel Debi Değerleri

Resim 4. Standart Yakıcının Türbulatorunun Üzerindeki Deliklerin Çapları Altı Milimetre Olması Üzerine Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Fan Analizleri İle Hesaplanan Dört Farklı

Lokasyondaki Ortalama Basınç, Hız Ve Hacimsel Debi Değerleri

Resim 5. Standart Yakıcının Alev Borusunun Beş Milimetre Genişletilmesi Üzerine Hesaplamalı

Akışkanlar Dinamiği Fan Analizleri İle Hesaplanan Dört Farklı Lokasyondaki Ortalama Basınç, Hız Ve Hacimsel Debi Değerleri

Resim 6. Standart Yakıcının Alev Borusunun On Milimetre Genişletilmesi Üzerine Hesaplamalı

Akışkanlar Dinamiği Fan Analizleri İle Hesaplanan Dört Farklı Lokasyondaki Ortalama Basınç, Hız Ve Hacimsel Debi Değerleri

İlgili revizyonlarda alınan pozitif çıktılar nedeniyle alev borusunda ve delik boyutlarında yapılabilen maksimum revizyonun sonuçları birleştirilerek hesaplamalı akışkanlar mekaniği programı ile analizi sonucunda yakıcı çıkışında maksimum hacimsel debiye, verimliliğe ve kapasiteye ulaşılması hedeflenmiştir. Aşağıdaki Tablo 3’te yapılan revizyonlar karşılaştırılmakta ve son yapılan revizyonun diğerlerinden daha üstün olduğu görülmektedir.

Fan Basıncı (mbar)

Tünel Çıkış Kesiti Hava Ortalama Hızı (m/s)

Debi (m³/h)

Resim-3 20,6 9,092 2241,5

Resim-4 21,04 10,039 2473,9

Resim-5 21,2 9,297 2289,6

Resim-6 20,77 9,463 2333,3

Resim-7 20,9 10,34 2548,8

Tablo 3. Standart Yakıcının Test Ve Analiz Sonuçlarının Karşılaştırılması KAYNAKÇA

Hamzaoğlu, F., (2019). Ramöz makinelerinde verim arttırma yöntemleri ve ekonomizer uygulaması.

Yüksek Lisans Tezi. Trakya Üniversitesi, Edirne.

Gerlitz, R., (1965). Heat shield for burner fan. U.S. Patent No. 3,176,751.

Profos, P., (1992). Method and arrangement for reducing the effect of disturbances on the combustion of a fan burner system. U.S. Patent No. 5,106,294.

Elsaesser, A., (2012). Fan for a gas burner system. U.S. Patent No. 3,176,751.

TEK SİSTEMDE BİRLEŞTİRİLMİŞ KESME,FORMLAMA,STOKLAMA,BÜKME