Bu çalışma, kerozen yakıtı kullanılan mini bir gaz türbini motorunda hidrojen zenginleştirmesi ile renksiz dağıtılmış yanma (CDC) koşullarının etkilerini incelemektedir. Yanma performansı, sıcaklık dağılımları ve NOx, CO, CO2 emisyonları detaylı olarak analiz edilmiştir.
Bu CFD çalışmasında, kerozen yakıtı kullanılan mini bir gaz türbini motorunun geometrisiyle, havadaki N2 oranı artırılarak renksiz dağıtılmış yanma (CDC) koşulları sağlanmıştır. Ardından, yanma performansını artırmak amacıyla kerozen yakıtına H2 eklenmiş ve yanma odası sıcaklık dağılımları, NOx, CO ve CO2 değerleri incelenmiştir. Basitleştirilmiş GTM-120 geometrisi kullanılarak yapılan simülasyonlarda, yakıt ve hava oranı değiştirilerek yanma odası çıkış sıcaklıkları 80 k, 100 k ve 120 k rpm değerlerinde literatürdeki deneysel sonuçlarla karşılaştırılmış ve doğrulama çalışması yapılmıştır. Türbülans ve radyasyon modelleri olarak sırasıyla Standart k-ε ve Ayrık Ordinatlar (Discrete Ordinates) seçilmiştir. Karıştırılmamış yanma modeliyle yürütülen çalışmada, renksiz dağıtılmış yanma koşullarının oluşturulması için %21, %19, %17 ve %15 O2 oranlarında simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Hidrojen zenginleştirmesi için, H2 %0’dan %50’ye kadar %10’luk artışlarla eklenmiştir. Hidrojen ekleme oranı olarak HEF (Hidrojen Enerji Fraksiyonu) kullanılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, renksiz dağıtılmış yanma rejiminin alev sıcaklığını 2292 K’den 1912 K’ye ve NOx miktarını 2.85 ppm’den 0.0086 ppm’ye düşürdüğü görülmüştür. Öte yandan, bu rejimin CO emisyonlarını 6.9 ppm’den 38.67 ppm’ye ve CO2 mol oranını %6.25’ten %6.94’e yükselttiği tespit edilmiştir. Bu bulgular, yakıttaki hidrojen miktarının artırılmasının alev sıcaklığını ve dolayısıyla NOx emisyonlarını artırdığını göstermiştir. Standart atmosferik koşullarda kerozene %50 H2 eklenmesiyle, yanma odası çıkışındaki ortalama NOx emisyonu 2.85 ppm’den 7.97 ppm’ye yükselirken, ortalama CO emisyonu 6.9 ppm’den 1.08 ppm’ye düşmüştür. Aslında, bu çalışmadaki en uç yanma durumu olan %15 O2 içeren hava ile kerozene %50 H2 eklenmesi durumunda, alev sıcaklığı 1912 K’ye düşmüş ve NOx 0.0713 ppm’ye yükselmiştir. Bununla birlikte, yanma odası çıkışındaki CO emisyonları 1.83 ppm’ye ve CO2 oranı %3.48’e düşmüştür. Böylece, bu çalışma sayesinde hem emisyonlar hem de yanma performansı açısından CDC ve hidrojen zenginleştirmesi birlikte kullanılarak hidrojenin gerçek bir motor geometrisinde alternatif yakıt olarak kullanılabilmesinin önü açılmıştır.
Bu yayının orijinali İngilizce olarak hazırlanmıştır. Makaleye erişmek için tıklayınız.
Hüsamettin Alperen Alabaş, Bilge Albayrak Çeper, Effect of the hydrogen/kerosene blend on the combustion characteristics and pollutant emissions in a mini jet engine under CDC conditions, International Journal of Hydrogen Energy, 2023, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.05.146.
