Katı oksit yakıt hücresi (KOYH) ejektörü akış kanalının sayısal yöntemlerle geliştirilmesi

Fosil enerji kaynaklarının sürekli yükselen maliyetleri ve çevresel etkileri enerji sistemlerinde verimliliğin önemini artırmaktadır. Geliştirilmekte olan katı oksit yakıt hücreleri (KOYH), konutlarda mikro birleşik ısı ve güç üretimine (mBIG), dolayısıyla da en yüksek verimle, dağıtık elektrik üretimine olanak sağlar. Anot atık gazının geri beslenmesi, yüksek maliyetleri nedeniyle boyutları sınırlı tutulan KOYH'lerinde verimi artırmasının yanında, KOYH girişindeki yakıt dönüştürücüye su buharı ve ısı enerjisi de sağlar. Küçük güçlü KOYH'lerinde (Pel <5 kWe), yüksek sıcaklıklardaki (~1000°C) anot atık gazının geri beslenmesinde ejektörler tercih edilir. KOYH'nin performansını doğrudan etkileyen ejektörün geri besleme oranı (GBO); işletme koşullarına ve ana akış kanalı boyunca en-kesitlerin geometrik boyutları ile değişen sıkıştırılabilir akış yapılarına bağlıdır. Sunulan tezde, 2 kWe elektriksel güç üreten bir KOYH'nin sıcak anot atık gazını geri besleyen ejektörün ana akış kanalı tasarlanmıştır. Bu amaçla; emme odası daralma açısının (α2), emme odası uzunluğunun (Ls), karışım odası çapının (Dm), karışım odası uzunluğunun (Lm), difüzör genişleme açısının (α3), difüzör uzunluğunun (Ld) ve birincil lüle ıraksak bölümü uzunluğunun (Lnd) GBO üzerindeki etkileri, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ve Taguchi deney tasarımı yöntemleriyle incelenmiştir. Öncelikle literatürde ejektörler için önerilen 1-B termo-hidrodinamik sıkıştırılabilir akış modelleri ile yakınsak-ıraksak birincil lülenin boğaz çapı (Dt) gibi kritik akış en-kesitlerinin geometrileri belirlenmiştir. Daha sonra ejektörün ana akış kanalının, hesaplamalarla doğrudan belirlenemeyen diğer geometrik boyutlarının her biri için, açık literatürde önerilen aralıklarda üçer seviye seçilmiştir. İlk kademe HAD deneylerinde kullanılacak ejektör modellerinin tasarımında, seçilen beş akış kanalı geometrik parametresinin alt seviyeleri, Taguchi'nin önerdiği L27(35) ortogonal dizisine göre eşleştirilmiştir. HAD analizleri SolidWorks Flow Simulation yazılımı ile yapılmıştır. HAD analizlerinin sonuçları ile hesaplanan GBO'ları, Taguchi'nin önerdiği "en-büyük en-iyi" sinyal/gürültü (S/G) oranına göre değerlendirilmiştir. İlk kademe analizlerde ele alınan beş geometrik parametrenin en uygun seviyeleri ve etki dereceleri sırasıyla; α3= 9° (%32,09), Ls= 8,1mm (%23,54), α2= 15° (%16,97), Lm= 24,4mm (%11,23) ve Ld= 48,7mm (%0,1) olarak belirlenmiştir. Bu sonuçlar literatürle uyumludur. Üç farklı karışım odası çapı (Dm/Dt= 6, 9 ve 12) için yapılan ikinci kademe analizlerde, her bir karışım odası çapı için hazırlanan 27 adet ejektör modeline (toplamda 81 adet farklı ejektör modeli) HAD analizleri uygulanmıştır. Bu analizlerde, KOYH için hedeflenen GBO'na (7,2) en yakın sonuçlar Dm/Dt= 9 için hazırlan ejektör modelleri ile elde edilmiştir. İkinci kademe analizlerde ele alınan altı geometrik parametrenin en uygun seviyeleri ve etki dereceleri sırasıyla; α3= 7° (%35,01), Lm= 27,3mm (%25,85), Lnd= 0,58mm (%12,75), α2= 25° (%7,65), Ld= 54,5mm (%7,13) ve Ls= 3,0mm (%1,67) olarak belirlenmiştir. Bu değerler literatürle uyumludur. GBO bakımından ejektör akış kanalının en önemli geometrik tasarım parametreleri, beklendiği gibi karışım odasının çapı (Dm) ve uzunluğudur (Lm). Karışım odasının çapı büyüdükçe gerekli uzunluk kısalmaktadır ve bu iki parametrenin en uygun oranları Dm/Dt= 9 ve Lm/Dm= 5-7 olarak belirlenmiştir. Difüzör genişleme açısı (α3) da önemli parametrelerdendir ve belirlenen en uygun açı literatürle uyumlu olarak 8°'dir. Emme odası daralma açısının (α2) GBO'na etkisi buraya kadar bahsedilen parametrelerden daha azdır. Elde edilen sonuçlara göre bu açı 20°'den büyük olmalıdır. Karışım odasının çapı büyüdükçe, emme odası ve birincil lüle ıraksak bölüm uzunluklarının GBO'na etkileri artmaktadır. Difüzör uzunluğu GBO'na etkisi en düşük olan ejektör akış kanalı parametresidir. Dolayısıyla, difüzör olabildiğince kısaltılarak ejektörün toplam uzunluğu kısaltılabilir. Genel bir değerlendirme olarak, KOYH'ne özgü anot atık gazı geri besleme ejektörüne ait ana akış kanalı tasarımının sayısal yöntemlerle (Taguchi deney tasarımı ve HAD analizleri) geliştirilebileceği gösterilmiştir.