Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile reküperatör tasarımı ve ısıl analizi

Üretim teknolojisinin hızla gelişmesi ile fosil yakıtların verimli kullanımı için ergitme ve tav fırınlarındaki CO_2 salınımı en fazla dikkat edilmesi gereken unsurdur. Atık ısı geri kazanım sisteminin yoksunluğu ve ergitme fırınlarında yanma veriminin arttırılması için ek çabalar harcanmadığı takdirde ne yakıt tüketiminde ne de CO_2salınım azaltıcı hedeflerin hiç birinin yerine getirilmesi imkansız durumu gelecektir. Dolayısıyla küresel ısınma için sera etkisi ve hava kirliliği,endüstriyel fırınlardaki artan yakıt tüketimi ile ciddi boyutlara ulaşacaktır. Endüstriyel alanda gerçekleşecek bu durumun önüne geçebilmek için değerli olan atık ısının havaya direkt olarak atılmadan önce enerjisinin bir kısmını geri kazanabilecek atık ısı geri kazanım sistemlerine gerek duyulmaktadır. Endüstriyel alanda kullanımı giderek artması ile piyasada rekabetin arttırılması için ergitme ve tav fırın sıcaklıklarına göre farklı tasarımların geliştirilmesi sağlanmıştır. Aynı zamanda az teorik ömüre sahip olan sistemler için hem malzeme cinsi hem malzeme üzerine kaplama yöntemleri üzerine de araştırma ve geliştirmeler sürmektedir. Genel itibari ile sanayilerde bulunan ergitme ve tav fırınlarında iki tip atık ısı geri kazanım sistemi bulunmaktadır. Bunlar sırasıyla reküperatörler ve rejeneratörlerdir. Özellikle rejeneratörlere oranla daha az yer kaplayan ve fırınadaha uniform (eş değer) sıcaklıkta yakma havasının gönderilmesini sağlayan reküperatörler, kullanımı giderek artmaktadır. Endüstriyel reküperatörler içerisinde atık gaz sıcaklığına bağlı olarak modüler alternatif tasarımların sunulması ve bu tasarımlarınatık gazın ısıl enerjisinden iki kez taşınım yoluyla ısı transferini gerçekleştiren kanal tipi reküperatörler, enerjinin yoğun tüketildiği bir çok sanayide tercih durumuna gelmiştir. Kanal tipi reküperatörler günümüzde çalışma sürelerine bağlı olarak teorik ömür süreleri 2-4 yıl arasındadır. Değerli atık ısının daha fazla geri kazanımı ve teorik ömür sürelerinin arttırılması için kanal tipi reküperatörleraraştırma ve geliştirmelerin temel odak noktası durumundadır. Bu yüksek lisans tez çalışmasında, ticari kanal tipi reküperatör üreticisinin bir çelik üretim tesisinde belirlemiş olduğu ısıl veriler dikkate alınarak, reküperatör tasarımı nümerik hesaplamalar ile elde edilmiştir. Çelik üretim tesisinin reküperatör sistemi için ayırdığı bölgeye istinaden tasarım kriterleri dikkate alınarak boru dizilim optimizasyonu yapılmıştır. Yakma havasının reküperatöre giriş ve çıkışında 14 adet boylamasına 13 adet ise enlemesine boru adetleri olacak şekilde tasarımı yapılmıştır. Hesaplamalı akışkan dinamiği yöntemi için hesaplama süreleri önemli bir parametredir. Dolayısıyla tasarlanan reküperatörün enlemesine 1/26'sı alınarak sonlu elemanlara dönüştürülmesi sağlanmıştır. Ticari reküperatör üreticisi tarafından verilen ısıl değerlere istinaden elde edilen nümerik hesaplamalar aynı şekilde 1/26'lık sistem için oluşturulmuştur. Taşınım yoluyla ısı transferini gerçekleştirecek olan sistemin boru (duvar) yüzey bölgeleri sayesinde oluşan hız ve ısıl sınır tabakalarının nümerik hesaplanması yapılmış olup. ANSYS mesh yazılımı ile 1/26'lık reküperatör modelinin sonlu elemanlara dönüştürülmesi sağlanmıştır. FLUENT yazılımı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözümlemeleri için 1/26'lık modelden elde edilen nümerik hesaplamalar, atık gaz ve yakma havası için sınır şartları oluşturmuştur. Özellikle sanayi akış problemlerinde, k-ε türbülans modeli seçimi yapılarak çözümleme yapılır. Bu türbülans modelinin en gelişmişi olarak realizable k-ε türbülans modeli çözümleme için kabul edilerek kontrol hacimlerinde akışın incelenmesinde yararlanılmıştır. Birinci dereceden ve ikinci dereceden nümerik ayrıklaştrma yöntemleri kullanılmış ve birbirleriyle karşılaştırılması yapılmıştır. İkinci dereceden ayrıklaştırma yönteminin daha hassas sonuçlar üretmesi sebebiyle akışın modellenmesi ve incelenmesi için elde edilen değerler dikkate alınmıştır. Ayrıca sonuçların örgü (mesh) yapısına bağlı olup olmadığı da kontrol edilmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yönteminde elde edilen sonuçlar ile nümerik olarak tasarımı yapılan reküperatörün karşılaştırılması yapılmıştır ve sonuçlar arasında ufak farklılıklar görülmüştür. Bunlar ise sırasıyla yakma havasının biraz daha fazla yüksek sıcaklığa ulaşmasından ve atık gazın ise daha düşük sıcaklıkta sistem atılmasından kaynaklanmıştır. Ticari reküperatör üreticisitarafından yapılan reküperatör tasarımı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile elde edilen sonuçların yakıt tasarruf oranları üzerine karşılaştırılması yapılmıştır. Modelin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile çözümüyle elde edilen değerlere istinaden yakıt tasarruf oranının yaklaşık %24 olduğu görülürken, ticari reküperatör üretici tarafından aynı ısıl şartlara istinaden yapılmış tasarımda ise bu değer %17,84'tür. Ayrıca nümerik olarak hesaplanan reküperatör tasarımının elde edilen ısıl verimliliği (etkenliği) %45,22 iken, modelin hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi kullanılarak çözümünde elde edilen verim değeri ise %49,4 olduğu görülmüştür.