Giriþ
G
çýkýþ sýcaklýklarýný daha lineer elde etmek ve kirletici ünümüzde güç üretimi ve havacýlýk emisyonlarý en aza indirerek yüksek yanma verimleri uygulamalarýnda önemli bir kullaným alaný saðlamaktýr. Gaz türbinlerinin yanma odalarý, kompresör olan gaz türbinlerindeki deðiþik iþletme tarafýndan saðlanan yüksek miktarlardaki basýnçlý havayý þartlarýndaki yanma iþlemleri sonucu yanma odasý yakýt memesinden püskürtülen yakýt ile yakarak, açýða sýcaklýklarý çok yüksek seviyelere ulaþabilmektedir. Gaz çýkan yanma ürünlerini ve ýsýl enerjiyi yönlendiriciler ile türbinlerinin temel dizayn kriteri olan sýcaklýk daðýlýmý, CO, türbine aktaran önemli bir elemandýr. Boyut ve aðýrlýk gibi NO ve duman gibi önemli parametreler yanma iþlemi X sýnýrlayýcý faktörler, bu iþlemlerin sýnýrlý bir hacimde, en az ile doðrudan ilgilidir. Bu nedenle, gaz türbin üreticileri basýnç kaybý ve maksimum ýsý çýkýþý ile gerçekleþtirilmesi yanma çalýþmalarý ile uzun yýllardan beri yakýndan gerektirmektedir. Gaz türbinlerinde kullanýlan yanma ilgilenmektedirler. Bu çalýþmalarda amaç, yanma odasý odalarý birbirlerine benzerlik göstermekle birlikte, temel
Mustafa ÝLBAÞ
Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliði Bölümü Ýlker YILMAZ
Erciyes Üniversitesi, Sivil Havacýlýk Yüksekokulu, Uçak Gövde-Motor Bölümü Filiz ÖZKAN
Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliði Bölümü
ÖZET ABSTRACT
Bu çalýþmada, ani geniþlemeli ve konik giriþli geometriye sahip iki farklý gaz türbin yanma odasýnda stokiometrik hava-yakýt karýþým oranlarý için hidrojen, metan ve propan yanmasýnýn sayýsal akýþkan dinamiði modellemesi yapýlmýþtýr. Yanma odasýnýn tam silindirik ve simetrik olmasý nedeniyle, sayýsal akýþkan dinamiði modellemesi iki boyutlu ve eksenel simetrik olarak yapýlmýþtýr. Modelleme sonucunda sýcaklýk daðýlýmlarý ve No dahil gaz konsantrasyonlarý detaylý olarak x
elde edilmiþtir. En yüksek sýcaklýk ve NO miktarýnýn hidrojen x
yanmasý sonucunda oluþtuðu görülmüþtür. Bu sonuçlara göre
x
sýcaklýðýn az olduðu bölgelerde NO emisyon deðerinin, x
sýcaklýðýn yüksek olduðu bölgelerdeki NO emisyon x
deðerinden daha düþük olduðu, dolayýsýyla da sýcaklýkla No x x
emisyonu arasýnda doðru orantýlý bir iliþki olduðu tespit x
edilmiþtir. Gaz türbin yanma odasýnýn stokiometrik hava-yakýt
x
karýþým oranlarýnda nümerik tahmininde maksimum sýcaklýk seviyesinin hidrojen yanmasý durumunda alev bölgesinde
x
2053 K deðerlerinde meydana geldiði belirlenmiþtir. Bu durumun için NO emisyon seviyelerinin diðer durumlardan x
daha yüksek olduðu ve yine alev bölgesinde 862 ppm deðerlerinde olduðu belirlenmiþtir.
In this study, the combustion of hydrogen, methane and propane have been made by computational fluid dynamics modeling using two different gas turbine combustion chamber which having sudden expansion and conical entry geometrics for stoichiometric air-fuel mixture ratio. As the combustion chamber is cylindirical and symetrical, computational fluid dynamics modeling was made two dimensional and axi-symetrical. As a result of modelling, temperature distributions, and gas concentrations including NO emissions have been performed. It was shown that maximum temperature and maximum NO has been occured at the hydrogen combustion. It was also shown that value of NO emissions in low temperature zones are less than the value of NO emissions in high temperature zones. It was obtained that the levels of maximum temperature and maximum NO emission at the hydrogen combustion were 2053 K and 862 ppm, respectively.
Keywords: Hydrogen, methane, propane, gas turbine, Anahtar Kelimeler: Hidrojen, metan, propan, gaz türbini, combustion
yanma
GAZ TÜRBÝNÝ YANMA ODASINDA HÝDROJEN VE
HÝDROKARBON YANMASININ MODELLENMESÝ VE NO
XOLUÞUMUNUN ÝNCELENMESÝ
karýþýmlý türbülanslý difüzyon alevini nümerik olarak kýsmý yanma odasý boyu ve yanma odasý giriþinde yakýt
araþtýrmýþlardýr. Nozula yakýn bölgelerde NO seviyeleri memelerinin yerleþimi gibi bazý farklýlýklar bulunmaktadýr.
tahminlerin altýnda ve alev bölgesinde tahminlerin Yüksek basýnç, sýcaklýk ve giriþ hýzý gibi çalýþma þartlarý
üstünde bir seyir gösterdiðini belirlemiþlerdir. Chen [6] yanma odasýnýn performansýna ve verimliliðine önemli
hidrojen, metan, helyum karýþýmlý, hidrojen-miktarda etki etmektedir. Gaz türbin yanma odasýnýn
helyum-metan karýþýmlý yakýtlarýn azotdioksit (NO ) 2
tasarýmý ve çalýþmasý karmaþýk bir iþlemdir. Yanma
seviyelerini deneysel olarak araþtýrmýþtýr. Hidrojen odasýnýn teorik davranýþý gaz türbinli motorun diðer
alevlerinde, helyumla seyreltme miktarýnýn artmasý ile parçalarýndan çok daha az uyumludur. Gaz türbin
NO /NO oraný artmýþ, alev sýcaklýðý ve baþlangýç NO 2
yanmasý, uygun bir deðerde türbin giriþ sýcaklýðýnýn X
seviyeleri azalmýþtýr. NO oluþumunun ýsýl mekanizmadan tutulmasý için büyük hava fazlalýk deðerleri ile hidrokarbon
kaynaklandýðý belirlenmiþtir. Karmasi ve Wierzba [7] yakýtýn daimi akýþlý iþlemi olarak düþünülür. Yanma
metan, hidrojen deðiþik karýþým oranlý metan ve hidrojen performansýnýn en önemli durumlarý, yanma verimliliði,
jet difüzyon alevlerinin alev kararlýlýk limitlerini deneysel ve alev kararlýlýðý ve kirletici emisyonlardýr.
analitik olarak incelemiþlerdir. Çalýþmada, hidrojen Literatürde hidrojen ve farklý hidrokarbon yakýtlar
difüzyon alevin metan difüzyon alevlerinden çok daha yakýlarak gerçekleþtirilmiþ deneysel ve nümerik çalýþmalar
büyük kararlý iþletme oranlarýna sahip olduðu belirlenmiþtir. mevcuttur. Ancak, bu çalýþmalarýn çoðunda kullanýlan
Rortveit ve arkadaþlarý [8] karþýt akýþlý bir yakýcýda seyreltilmiþ yanma odasý ani geniþlemeli geometriye sahiptir. Ayrýca,
laminer hidrojen alevlerini deneysel ve nümerik olarak bu çalýþmalarda farklý ýsýl güçlerin yanma odasý çýkýþ
incelemiþlerdir. Çalýþmada, ýsýl NO baskýn olduðu ve NO sýcaklýðý ve NOX emisyonuna etkisi incelenmemiþtir.
üretiminde yoðun sýcaklýk baðýmlýlýðý belirlenmiþtir. Schefer Tomczak ve arkadaþlarý [1] deðiþik karýþým oranlarýnda
[9] fakir þartlarda hidrokarbon yakýta hidrojen ilavesinin hidrojen-doðalgaz karýþýmlarý ve saf hidrojen ile beslenen
alev kararlýlýðý üzerindeki etkisini belirlemeye çalýþmýþtýr. bir gaz türbin yakýcýsýnda difüzyon alevini nümerik ve
Girdaplý alevlerde hidrojen ilavesinin alev kararlýðýnda deneysel olarak araþtýrmýþlardýr. Saf hidrojen yanmasý
önemli bir iyileþme saðladýðýný belirlemiþtir. Ýlbaþ ve durumunda en yüksek sýcaklýk deðeri 2330 K, saf
arkadaþlarý [10-11] model bir yakýcýda hidrojen, metan ve doðalgaz yanmasý durumunda ise; 2290 K olduðu tespit
hidrojen-metan karýþýmlý hibrid yakýt yanmasýný deneysel edilmiþtir. Shudo ve Mizuide [2] küçük bir gaz türbin
ve nümerik incelemiþlerdir. Yakýt içeriðinde hidrojen yakýcýsýnda hidrojen yanmasýnýn NO oluþum özelliklerini X
miktarýnýn artmasý ile sýcaklýk seviyelerinin arttýðýný, buna deneysel ve nümerik olarak incelemiþlerdir. Metan
baðlý olarak NO emisyon deðerinin de yükseldiðini yanmasý ile karþýlaþtýrýldýðýnda hidrojen yanmasýnýn daha
belirlemiþlerdir. Ayrýca, çalýþmalarýnda yakýt karýþýmýndaki düþük NO emisyonuna sahip olduðunu belirlemiþlerdir. X
metan içeriðinin artmasý ile CO emisyonunun arttýðýný, Schefer ve Oefelein [3] hidrojence zengin yakýtlar
alev boyu ve radyasyonla ýsý kaybýnýn arttýðýný tespit kullanarak gaz türbin emisyonlarýnýn azaltýlmasýna yönelik
etmiþlerdir. deneysel çalýþma yapmýþlardýr. Hidrokarbon yakýta %65'in
Bu çalýþmada, ani geniþlemeli ve konik giriþli üzerinde hidrojen ilavesi ile NO emisyonlarýnýn düþük X geometriye sahip iki farklý gaz türbin yanma odasý seviyelere indirileceðini ve CO miktarýnda azalmalar 2 geometrisinde stokiometrik hava-yakýt karýþým oranlarý
saðlanacaðýný belirlemiþlerdir. Zhou ve arkadaþlarý [4] için hidrojen, metan ve propan yanmasýnýn sayýsal detaylý kimyasal bir model kullanarak türbülanslý hidrojen- akýþkan dinamiði modellemesi yapýlmýþtýr. Yanma hava difüzyon alevini nümerik olarak araþtýrmýþlardýr. odasýnýn tam silindirik ve simetrik olmasý nedeniyle, Fairweather ve Woolley [5] hidrojen ve hidrojen-helyum sayýsal akýþkan dinamiði modellemesi iki boyutlu ve
eksenel simetrik olarak dikkate alýnmýþtýr. Modelleme kullanýlan her iki model için gaz türbini yanma odasýnýn uzunluðu, L=2000 mm., çapý 600 mm. ve yakýt giriþ kesit sonucunda sýcaklýk daðýlýmlarý ve NO dahil gaz X
çapý 20 mm. olarak alýnmýþtýr. Ani geniþlemeli (birinci konsantrasyonlarý detaylý olarak elde edilmiþtir.
model) yanma odasý için hava giriþ kesiti çapý 580 mm., konik giriþli (ikinci model) yanma odasý için ise; hava giriþ kesiti çapý 380 mm. deðerlerinde alýnmýþtýr[13].
Nümerik tahminlerde kullanýlan iki farklý temel geometrideki gaz türbin yanma odasý modelleri þekil a ve b'de verilmiþtir. Yanma odasý içerisindeki türbülanslý
reaksiyon akýþý, stokiometrik karýþým oranlarýnda iki farklý Ani geniþlemeli (birinci model) ve konik giriþli (ikinci hidrokarbon yakýt (metan ve propan) ile hidrojen yanmasý model) gaz türbin yanma odasýnda stokiometrik hava-için sonlu hacimler tekniði ile çözüm yapan sayýsal yakýt karýþým oranlarý için sayýsal akýþkan dinamiði ile elde akýþkan dinamiði çözücüsü FLUENT 6.1.22 [12] programý edilen sýcaklýk daðýlýmlarý Þekil 1-6'da verilmiþtir. Yanma kullanýlarak incelenmiþtir. Nümerik çözüme baþlamadan odasý çýkýþ kesiti için sýcaklýk daðýlýmlarý birinci model için önce çözümün grid’e baðýmlý olmamasý için nümerik Þekil 7' de ve ikinci model için de Þekil 8' de sunulmuþtur. grid testleri yapýlmýþtýr. Yanma odasýnýn tam silindirik ve Birinci model için sýcaklýk daðýlýmlarý incelendiðinde; metan simetrik olmasý nedeniyle, modelleme iki boyutlu ve yanmasý için maksimum sýcaklýk seviyesinin 1769 K eksenel simetrik olarak gerçekleþtirilmiþtir. Çalýþmada deðerinde oluþtuðu Þekil 1'de görülmektedir. Birinci model
Gaz Türbini Yanma Odasý ve
Nümerik Ýncelenmesi
Nümerik Sonuçlar
Sýcaklýk Daðýlýmlarýve Makina Cilt : 47 Sayý: 559
37
a)- Ani Geniþlemeli (birinci model)
(b)
b)- Konik Giriþli (ikinci model) Gaz Türbini Yanma Odasý(birinci model)
Hava giriþi
Yakýt giriþi
Yanma Odasý Yakýcý Duvarý
için en yüksek sýcaklýk deðerinin 1956 K ile hidrojen yanmasý sonucu oluþtuðu Þekil 2'den, en düþük sýcaklýk seviyesinin ise; 1630 K ile propan yanmasý durumunda oluþtuðu Þekil 3'den anlaþýlmaktadýr. Hidrojen yanmasýnda alev bölgesinin diðerlerine göre daha uzun olduðu görülmektedir. Ýkinci model için sýcaklýk daðýlýmlarý incelendiðinde; birinci modelde olduðu gibi 1958 K ile en yüksek sýcaklýk deðerinin yine hidrojen yanmasý sonucu oluþtuðu Þekil 5'de görülmektedir. En düþük sýcaklýk ise 1671 K ile propan yanmasý sonucu meydana geldiði Þekil
6'dan anlaþýlmaktadýr. Ýki model arasýnda, ayný yakýtlarýn yanmasýyla oluþan sýcaklýk daðýlýmlarýnda benzerlik görülmektedir. Hidrojen yanmasýnda elde edilen sonuçlar birbirine çok yakýndýr. Metan ve propan yanmasýnda ise; ikinci modelde sýcaklýklarda ve buna baðlý olarak NO X emisyonlarýnda bir miktar artýþ meydana gelmiþtir.
Þekil 7'de birinci model için hidrojen, metan ve propanýn çýkýþ sýcaklýklarý karþýlaþtýrýlmýþtýr. En yüksek çýkýþ sýcaklýðý 1040 K ile hidrojen yanmasýnda oluþmuþtur.
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 559
38
Þekil 1. Metan Yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Birinci Model. (f=1)
Þekil 2. Hidrojen Yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Birinci Model. (f=1)
Þekil 3. Propan Yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Birinci Model. (f=1)
Þekil 4. Metan Yanmasý Ýçin Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Ýkinci Model. (f=1)
Þekil 5. Hidrojen Yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Ýkinci Model. (f=1)
Þekil 6. Propan Yanmasý Sýcaklýk Daðýlýmý (K), Ýkinci Model. (f=1)
Metan yanmasýnda çýkýþ sýcaklýðý 860 K ve propan Ýlbaþ ve arkadaþlarýnýn [11] sayýsal olarak elde ettikleri yanmasýnda ortalama çýkýþ sýcaklýðý 710 K'dýr. Tomczak'ýn sonuca göre de yakýcý çýkýþýnda elde edilen ortalama [13] deneysel çalýþmasýnda hidrojen yanmasý sonucu sýcaklýk 1367 K'dir. Sýcaklýk daðýlýmlarý bu çalýþmalarda elde yakýcý çýkýþýnda ortalama sýcaklýk 1212 K olarak ölçülmüþtür. edilen sýcaklýk daðýlýmlarýna benzer eðilimler
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 559
39
Þekil 7. Yakýtlarýn Çýkýþ Sýcaklýklarý, Birinci Model. (f=1)
Þekil 8. Yakýtlarýn Çýkýþ Sýcaklýklarýnýn Karþýlaþtýrýlmasý, Ýkinci Model. (f=1)
Hidrojen Metan Propan RADYAL UZUNLUK Ç IK IÞ S IC A K LI Ð I Hidrojen Metan Propan RADYAL UZUNLUK (m) Ç IK IÞ S IC A K LI Ð I (K )
göstermektedir. Þekil 8'de ikinci model için hidrojen, metan hava fazlalýðý ile deðiþim göstermektedir. Þekil 10' da ve propanýn çýkýþ sýcaklýklarý karþýlaþtýrýlmýþtýr. En yüksek çýkýþ konik giriþli (ikinci model) yanma odasý durumunda sýcaklýðý 1045 K ile hidrojen yanmasýnda oluþmuþtur. metan yanmasý için CO emisyonu daðýlýmlarý
sunulmuþtur. Maksimum CO emisyonu yanma odasý Metan yanmasýnda çýkýþ sýcaklýðý 890 K ve propan
yanmasýnda ortalama çýkýþ sýcaklýðý 760 K'dýr. ortasýnda oluþmuþtur. Ayný model için sýcaklýk, NO ve CO X emisyon daðýlýmlarý incelendiðinde sýcaklýðýn arttýðý Þekil 9'da ani geniþlemeli (birinci model) için farklý ýsýl
güçlerdeki (Q= 40 kW, Q =100 kW, Q=150 kW) hidrojen bölgelerde NO ’de artmalar gözlenirken, CO X yakýtý için çýkýþ sýcaklýklarý karþýlaþtýrýlmýþtýr. Maksimum çýkýþ emisyonunda azalma görülmektedir. Ýyi bir yanmayla
sýcaklýklarý, simetri ekseninde (r=0'da) oluþmuþtur. r=0'da Q = 40 kW için T= 710 K, Q=100 kW için T= 1040 K, Q=150 kW için ise; T= 1080 K' dir. Çýkýþ sýcaklýklarý simetri ekseninden yanma odasý duvarýna doðru gidildikçe azalmaktadýr. R = 0.3 m.'de Q = 40 kW için T= 500 K, Q=100 kW için T= 780 K, Q=150 kW için ise; T= 900 K'dir.
CO emisyon deðeri; yanma sonu sýcaklýðý, yanma verimi, su buharý miktarý ve NO emisyon oluþumu ve X CO ve CO Emisyon Daðýlýmlarý2
40
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 559Þekil 9. Farklý Isýl Güçlerdeki Çýkýþ Sýcaklýklarýnýn Karþýlaþtýrýlmasý, Birinci Model. (f=1)
Þekil 10. Metan Yanmasý için CO Daðýlýmý, Ýkinci Model (f=1)
I Þ C I ( K ) Ç K I S I A K LÐ I RADYAL UZUNLUK (m) Q = 150 kW Q = 100 kW Q = 40 kW
CO emisyonunda düþmeler görülürken, sýcaklýkta da artýþ görülmektedir. Þekil 11'de konik giriþli (ikinci model) yanma odasýnda metan yanmasý sonucu oluþan CO 2
emisyonu daðýlýmlarý görülmektedir. Maksimum Co 2
emisyonu çýkýþa yakýn bölgede oluþmaktadýr.
de gösterilmiþtir. Birinci model için NO daðýlýmlarý X incelendiðinde en yüksek NO emisyon seviyesinin X hidrojen yanmasý sonucu oluþtuðu görülmektedir. Minimum NO emisyon deðeri ise; propan yanmasý X sonucu oluþmuþtur. NO emisyon miktarý sýcaklýða baðlý X olarak deðiþmektedir. Þekil 14' de ani geniþlemeli yanma odasýnda hidrojen yanmasý için NO emisyonu X Ani geniþlemeli ve konik giriþli gaz türbinli yanma
daðýlýmý incelendiðinde; en fazla NO deðerinin, X odasý modelleri için NO emisyon daðýlýmlarý metan X
sýcaklýðýn maksimum olduðu giriþe yakýn bölgede yanmasý için Þekil 12 ve 13'de, hidrojen yanmasý için Þekil
oluþtuðu görülmektedir. Konik giriþli (ikinci model) 14 ve 15' de ve propan yanmasý için ise; Þekil 16 ve 17'
geometride elde edilen NO emisyonu daðýlýmlarý ani X NO Emisyon Daðýlýmýx
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 559
41
Þekil 11. Metan Yanmasý Ýçin CO Daðýlýmý, Ýkinci Model (f=1)2
Þekil 14. Metan Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Birinci Model x
(f=1)
Þekil 13. Metan Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Ýkinci Model x
(f=1)
Þekil 15. Hidrojen Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Ýkinci Model x
(f=1)
Þekil 16. Propan Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Birinci Model x
(f=1)
Þekil 12. Metan Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Birinci Model x
geniþlemeli (birinci model) geometridekine benzerlik göstermektedir. NO emisyonu miktarýnda sýcaklýða X baðlý olarak az miktarda artýþ vardýr. En yüksek NO X miktarý hidrojen yanmasý sonucunda 862 ppm deðerinde alev bölgesinde oluþmuþtur. En düþük NO X miktarý ise; propan yanmasý sonucu 246 ppm deðerinde oluþmuþtur.
Konik giriþli yanma odasýnda kullanýlan üç farklý yakýtýn yanma odasý çýkýþ kesitindeki NO emisyon X
deðerleri Þekil 18'de karþýlaþtýrýlmýþtýr. Çýkýþ bölgesindeki en yüksek NO emisyon deðeri X 570 ppm ile hidrojen yanmasý sonucu oluþmuþtur. Çýkýþtaki en düþük NO emisyon X deðeri ise; propan yanmasý sonucunda oluþmuþtur. Ani geniþlemeli yanma odasý durumunda üç farklý yakýtýn yanma odasý çýkýþ kesitindeki NO emisyon deðerleri ise; Þekil 19' X da sunulmuþtur. Çýkýþ bölgesindeki en yüksek NO emisyon miktarý 630 ppm ile hidrojen X yanmasý sonucu oluþmuþtur. Çýkýþtaki en düþük NO emisyonu ise; propan yanmasý X sonucunda oluþmuþtur. Benzer yanma odasý için yapýlan NO tahmininde Ýlbaþ ve X arkadaþlarý [11] hidrojen yanmasý sonucunda NO miktarýný çýkýþta 537 ppm olarak elde X etmiþtir. Ayrýca, NO emisyon daðýlýmlarý X birbirine benzerlik göstermektedir. Þekil 20'de ani geniþlemeli yanma odasýnda farklý ýsýl güçlerde (Q= 40 kW, Q =100 kW, Q=150 kW) hidrojen yakýtý için çýkýþtaki NO deðerleri X karþýlaþtýrýlmýþtýr. Yanma odasý çýkýþýndaki NO X seviyelerinde radyal uzunluk boyunca fazla bir deðiþim görülmemektedir. Yaklaþýk olarak Q = 40 kW için NO = 350 ppm, Q=100 kW için X NO =580 ppm, Q=150 kW için ise; NO = 950 X X ppm' dir.
42
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 559Þekil 17. Propan Yanmasý için NO Daðýlýmý (ppm), Ýkinci Model x
(f=1)
Þekil 18. Yakýtlarýn Çýkýþtaki NO Miktarlarý (ppm), Ýkinci Model. (f=1)x
Þekil 19. Yakýtlarýn Çýkýþtaki NO Miktarlarý (ppm), Birinci Model. (f=1)x
Hidrojen Metan Propan Hidrojen Metan Propan RADYAL UZUNLUK (m) I Þ O R p p Ç K I TA K I N x M ÝK TA I ( m ) RADYAL UZUNLUK (m) I Þ O R p p Ç K I TA K IN x M ÝK TA I ( m )
Hidrojen ve metan yanmasý için ani geniþlemeli ve Nümerik tahminlerden, maksimum sýcaklýðýn hidrojen yanmasý durumunda alev bölgesinde 2053 K konik giriþli geometriye sahip gaz türbin yanma odasý
deðerinde meydana geldiði belirlenmiþtir. 1000 K'’yý nümerik tahminleri literatürdeki benzer çalýþmalarla
karþýlaþtýrýlmýþtýr. Bu çalýþmadan elde edilen maksimum geçen yüksek sýcaklýklarda hava içerisinde bulunan N 2 sýcaklýk, çýkýþ sýcaklýðý, CO emisyonu ve NO emisyon X gazýnýn oksijenle reaksiyona girmesi sonucu NO olarak X daðýlýmlarý Ýlbaþ ve Yýlmaz [10], Ýlbaþ ve arkadaþlarý [11] adlandýrýlan azot oksitler oluþmaktadýr. Þekil 14 ve þekil tarafýndan elde edilen deneysel ve nümerik sonuçlarla 15' de yanma odasý birinci ve ikinci modeli için hidrojen uyum içinde olduðu tespit edilmiþtir. yanmasý sonucu oluþan NO emisyonu daðýlýmýnýn
X
maksimum deðeri alev bölgesinde 862 ppm deðerinde oluþtuðu görülmektedir. Ýki farklý yanma odasý geometrisi için üç farklý yakýtýn yanmasýndan elde Sunulan çalýþmada, ani geniþlemeli ve konik giriþli
edilen NO emisyon daðýlýmlarý sýcaklýk daðýlýmlarýna olmak üzere iki farklý geometriye sahip gaz türbin yanma X
benzerlik göstermiþtir. Sýcaklýðýn yüksek olduðu odasý modelinde sayýsal akýþkan dinamiði çözücüsü ile
türbülanslý reaksiyon akýþý nümerik olarak araþtýrýlmýþtýr. bölgelerde NOX deðerinin de yüksek olduðu Çalýþmada; stokiometrik hava-yakýt karýþýmý için metan, belirlenmiþtir.
hidrojen ve propan yanmasý durumunda sýcaklýk Bütün çalýþma durumlarýnda yakýtýn yanma odasý çýkýþýnda tamamen tükendiði görülmüþtür. Böylelikle, daðýlýmlarý, gaz konsantrasyonlarý ve NO emisyon X
daðýlýmlarý detaylý olarak elde edilmiþtir. Ayrýca, yanma yakýtýn tamamen yandýðý ve çalýþýlan durumlarýn odasýnda farklý ýsýl güçlerde alevlerin oluþmasý temin bütününde tam yanma olduðu görülmektedir. Ayný
zamanda hidrojenin, metan ve propana göre daha edilerek, ýsýl gücün çýkýþ sýcaklýðý ve NO emisyonu X
çabuk tükendiði görülmüþtür. Bu durumun hidrojenin üzerindeki etkisi araþtýrýlmýþtýr.
Sonuçlar ve Öneriler
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 559
43
Þekil 20. Farklý Isýl Güçlerdeki Çýkýþ NO Miktarlarýnýn Karþýlaþtýrýlmasý, Birinci Model x
RADYAL UZUNLUK (m) Ç IK IÞ A K I N O M Ý TA R I p p ) T x K ( m Q = 150 kW Q = 100 kW Q = 40 kW
Combustion
difüzivitesinin yüksekliðinden dolayý yanma iþleminin
Modeling of Turbulent Jet Diffusion H2/air Flame With
daha çabuk baþladýðý ve reaksiyon zamanýnýn daha
Detailed Chemistry, International Journal of Heat and
kýsa olmasýndan kaynaklanmýþtýr. Ani geniþlemeli gaz
Mass Transfer, V.43, pp. 2075-2088, 2000.
türbin yanma odasýnýn köþe kýsýmlarýna yanma sonu
First-order Conditional
sýcak gazlarýn ilerlemesi ile ölü sýcaklýk bölgeleri
Moment Closure Modeling of Turbulent, Nonpremixed
oluþacaktýr. Bu bölgeler, yanma odasý çýkýþ sýcaklýðýný ve Hydrogen Flames, Combustion and Flame, V.133, gaz konsantrasyon deðerlerini etkileyeceðinden yanma pp.393-405, 2003.
verimi deðiþecektir. Bu nedenle, konik giriþli gaz türbin A Parametric Study of NO2 Emission from Turbulent H2 and CH4 Jet Diffusion Flames, Combustion
yanma odasý geometrisinde köþe kýsýmlardaki ölü sýcak
and Flame, V.112, pp. 188-198, 1998.
bölgelerin oluþumu önleneceðinden alev çýkýþa doðru
The effect of Hydrogen Addition
yönlendirilerek türbin giriþinde daha doðrusal bir sýcaklýk
on the Stability Limits of Methane Jet Diffusion Flames,
profili elde edilecektir.
International Journal of Hydrogen Energy, V.23, pp.
123-Ayný yakýtlar için f>1 ve f<1 olduðu zengin ve fakir
129, 1998.
hava-yakýt karýþým oranlarýnda çalýþma geniþletilerek Effects
stokiometrinin (f); sýcaklýk daðýlýmý ve NO emisyonu X of Diluents on Nox Formation in Hydrogen Counterflow Flames, Combustion and Flame, V.130, pp. 48-61, 2002.
üzerine etkisi incelenebilir. Literatürde gaz yakýt yakýlarak
Hydrogen Enrichment for Improved Lean
gerçekleþtirilmiþ deneysel çalýþma çok sýnýrlý sayýdadýr. Bu
Flame Stability, International Journal of Hydrogen Energy,
bakýmýndan çalýþma deneysel olarak gerçekleþtirilip,
V.28, pp. 1131-1141, 2003.
elde edilen sonuçlar ile nümerik tahminlerin
Model Bir Yakýcýda Yanma ve Emisyon
karþýlaþtýrýlmasýnýn yapýlmasý hidrojen, metan ve propan Davranýþýnýn Deneysel Ýncelenmesi, Erciyes Üniversitesi yanmasý ile ilgili daha detaylý bilgiler edinilmesini Bilimsel Araþtýrma Projesi, Kesin Rapor, Proje No:
EUBAP-03-saðlayacaktýr. 50, Aralýk-2005.
Hydrogen as Burner Fuel: Modelling of Hydrogen-hydrocarbon Composite Fuel Combustion and NOx Formation in Small
Bu çalýþma, TÜBÝTAK tarafýndan 105M037 nolu
Burner, International Journal of Energy Research, V.29,
Bilimsel Araþtýrma projesi kapsamýnda desteklenmiþtir. pp. 973-990, 2005.
Yazarlar destek için TÜBÝTAK' a teþekkür ederler. FLUENT 6. Fluent Incorporated. Vol. 2. 2002.
Gaz Türbini Yanma Odasýnda Hidrojen ve Hidrokarbon Yanmasýnýn Modellenmesi ve NOx Oluþumunun Ýncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi, Ekim-2005.
Investigation of a Gas Turbine Combustion System Fired With Mixtures of Natural Gas and Hydrogen, IFRF Combustion Journal, Article Number 200207, 2002.
NOx Emission Characteristics in Rich-Lean Combustion of Hydrogen, JSAE Review, V.23, pp. 9-14, 2002.
Reduced Turbine Emissions Using Hydrogen-Enriched Fuels, FY 2003 Progress Report, Sandia National Laboratories, Livermore, USA.
4. Zhou, X., Sun, Z., Brenner, G., Durst, F.,
5. Fairweather, M., Woolley, R.M.,
6. Chen, R.H.,
7. Karmasi, M., Wierzba, I.,
8. Rortveit , G.J., Hustad, J.E., Li, S.C., Williams, F.A.,
9. Schefer, R.W.,
10. Ýlbaþ, M., Yýlmaz, Ý.,
11. Ýlbaþ, M., Yýlmaz, Ý., Veziroðlu, T.N., Kaplan, Y.,
Teþekkür
12.
13. Hýrkalýoðlu, F.,
Kaynakça
1. Tomczak, H-J, Benelli, G., Carrai, L., Cecchini, D.,
2. Shodu, T., Mizuide, T.,
3. Schefer, R., Oefelein, J.,
