Onur TUNÇER, A Cihat BAYTAŞ, Tanju ERGEN

NUMERICAL INVESTIGATION OF A 5 kW POROUS MEDIUM BURNERWITH AN INTEGRATED HEAT EXCHANGER

Bir yakıtın havayı en az kirletecek şekilde yanması oldukça önemlidir. Her gün bu konu ile ilgili kirletici gaz salımlarını kısıtlayan yeni yasal düzenlemeler yürürlüğe girmektedir. İkinci bir önemli konu da yüksek yoğunlukta hacimsel ısı açığa çıkışını elde etmektir. Gözenekli ortamda yanma bu iki önemli konuda çözüm üretebilmektedir. Bu çalışmada, çeşitli sayısal analizler yapılarak ısıl verimlilik ve yanma, 5kW'lık gözenekli ortamda simetrik ve iki boyutlu bir problem şeklinde incelenmiştir. Çözüm alanı dört adet alt-alandan oluşmaktadır; iki art arda gözenekli ortam (ilki düşük poroziteli, ikincisi yüksek poroziteli), sabit akış hızına sahip bir su tankı ve katı duvar. Yanmada tepkimeye girenler olarak metan-hava karışımı değişik fazla hava katsayılarında kullanılmıştır ve yakıcı tasarımının en iyilenmesi amacıyla çeşitli su akış debileri her bir eşdeğerlik oranı için test edilmiştir. Navier-Stokes, enerji (ısıl denge modeli) ve tür denklemleri iki boyutlu simetrik modelimiz için çözülmüştür. Metanın oksidasyonunda iki-adımlı global bir mekanizma kullanılmıştır. Hız ve sıcaklık dağılımları hem yanma bölgesinde hem su tankında, yanma bölgesinin ortasında eksenel yönde sıcaklık dağılımı ve yanma bölgesinden su tankına olan ısı geçişi gösterilmiştir.

BİR ISI DEĞİŞTİRİCİSİ İLE TÜMLEŞTİRİLMİŞ 5 kW GÜCÜNDE BİR GÖZENEKLİ ORTAMYAKICISININSAYISAL İNCELENMESİ

It is most important that a fuel be burnt in a way with least possible pollution to the environment. In this regard every day new legislation is passed restricting pollutant gas emission. A second important issue is to obtain high-density thermal energy via enhanced volumetric heat release. Porous media combustion offers solutions that address both these issues. In this study, we performed several numerical analyses of a symmetrical two-dimensional problem to investigate combustion within a 5 kW porous burner and thermal efficacy of our design. Solution domain consists of four sub-domains, two porous regions in tandem (first with low porosity and second with high porosity), a water tank with constant flow rate and a solid wall in between those. Methane-air is used as reactant mixture for combustion with different excess air ratios and as a parametric study, various water flow velocities are tested for each excess air ratio. Navier-Stokes, energy (thermal equilibrium model) and species transport equations are solved in two-dimensional symmetrical model. A two-step global methane oxidation mechanism is utilized. Velocities, temperature distributions in both combustion zone and water tank, temperature distribution in the axial direction at the centerline of the combustion zone and heat transfer from combustion zone to water are presented

PDF

___

Ata Y., Experimental investigation of a porous burner [In Turkish], Graduation Thesis, Istanbul Technical University Faculty of Aeronautics and Astronautics, 2010.
Babkin, V.S., Korzhavin, A. A., Bunev, V. A., Propagation of premixed gaseous explosion flames in porous media, Combustion and Flame, 87, pp. 182-190, 1991.
Barra A.J., Ellzey J.L., Heat re-circulation and heat transfer in porous burners, Combustion and Flame ,137, pp. 230-241, 2004.
Baytaş A.C., Pop I., Free convection in a square porous cavity using a thermal non-equilibrium model, International Journal of Thermal Science, 141, pp. 861-870, 2002.
Brenner G., Pickena K., Trimis D., Wawrzinek K., Weber T., Numerical and experimental investigation of matrix- stabilized methane/air combustion in porous inert media, Combustion and Flame, 123, pp. 201-213, 2000.
Durst F., Trimis D., Compact porous medium burner and heat exchanger for household applications, European Comission project report (Contract No: JOE3-CT95-0019), 1996.
Emonts B., Catalytic radiant burner for stationary and mobile applications, Catalysis Today, 47, 407-414, 1999.
Henriguez-Vargas, L., Valeria, M., Bubnovich, V., Numerical study of lean combustibility limits extension in a reciprocal flow porous media burner for ethanol/air mixtures, International Journal of Heat and Mass Transfer, 89, pp. 1155-1163, 2015
Iral, L., Amell, A., Performance study of an induced air porous radiant burner for household applications at high altitude, Applied Thermal Engineering, 83, pp. 31-39, 2015.
Moraga, N. O., Rosas, C.E., Bubnovich, V. I., Solari N.A., On predicting two dimensional heat transfer in a cylindrical porous media combustor., International Journal of Heat and Mass Transfer, 51, pp 302- 311, 2008
Shin, Y., Kim, Y., Numerical modeling for flame dynamics and combustion processes in a two-sectional porous burner with a detailed chemistry, Journal of Mechanical Science and Technology, 28 (11), pp. 4797-4805, 2014.
Pantangi V.K., Mishra S.C., Muthukumar P., Reddy R., Studies on porous radiant burners for LPG cooking applications, Energy, 36, pp. 6074-6080, 2011.
Patankar S., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere, New York, 1980.
Smucker M.S., Ellzey J.L., Computational and experimental study of a two-section porous burner, Combust. Sci. and Tech.,176, pp. 1171-1189, 2004.
Takeno T, Sato K, Hase K., A theoretical study on an excess enthalpy flame, Proceedings of the 18thSymposium (International) on Combustion,Waterloo, pp. 465-72, 1981.
Trimis, D., Stabilized combustion in porous media-applications of the porous burner technology in energy and heat engineering, AIAA Fluid 2000 Conference and Exhibition. Denver, CO, pp. 19-22 June, 2000.
Yu, B., Kum, S.M., Lee, C.E., Lee, S., Combustion characteristics and thermal efficiency for premixed porous-media types of burners, Energy, pp. 1-8, 201.