Non-reacting cfd analysis of a drop tube furnace used for solid fuel combustion

Abstract

Bu tezde, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği bölümü Temiz Yanma Teknolojileri Laboratuvarında bulunan bir düşey borulu fırın Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir. Düşey borulu fırın, katı yakıtların yanma karakteristiklerini soruşturmak için sabit sıcaklık bölgesi elde etmek amacıyla elektrikle ısıtılan reaktördür. Fırın içindeki akışı analiz etmek için düşey borulu fırının basitleştirilmiş geometrisi yaratılmıştır. Bu tezde yapılan analizler için, reaktörün ısıtılan bölgesi 1273 K 'e ısıtılmıştır ve fırının inletlerine giriş yapan toplam hava oranı 10 L/dak 'dır. Hız büyüklüklerini ve sıcaklık dağılımlarını elde etmek için üç farklı türbülanslı model (Standard k-ε, Realizable k-ε and SST k-ω) kullanılmıştır. Zamana bağlı çözüm, SST k-ω ile yapılan analizde yakınsama elde etmek için kullanılmıştır. Sonuçlar, literatürdeki analiz sonuçları ve yapılan sıcaklık ölçümleri ile karşılaştırılmıştır. k-ε model kullanılan analizler literatür sonuçlarıyla ve ölçümlerle daha benzer trendler sağlamıştır. k-ε modellerle sabit sıcaklık bölgesi sağlanmıştır. Ayrıca, yerçekimsel etki soruşturulmuştır. Yerçekiminin ihmal edildiği analizde, hava bütün reaktör boyunca 0,3 m/s'den 0,1 m/s'ye azalan bir hızla akmaya devam etmiştir. Fakat gerçekte, akış ısıtılan bölgenin çıkışında durgundur ve bir vakum pompası kullanılarak sürdürülmektedir.

In this thesis, the flow inside the drop tube furnace (DTF) which was already built in the Clean Combustion Technologies Laboratory located in Department of Mechanical Engineering at Middle East Technical University is analysed by using Computational Fluid Dynamics method. DTF is a semi-pilot scale electrically heated reactor with the aim of achieving constant temperature zone to investigate combustion characteristics of solid fuels. A simplified geometry is created for the flow analysis inside the DTF. The heating zone of the reactor is heated up to 1273 K and total air volumetric rate entering the inlets of the furnace is 10 L/min for the analyses conducted in the thesis. Natural convection governs the flow inside the furnace. Three different turbulence models (Standard k-ε, Realizable k-ε and SST k-ω) are employed in order to obtain velocity magnitudes and temperature distribution in the DTF. Transient solution is used for the simulation in which SST k-ω model is utilized to achieve convergence. The results are compared to analysis results in literature and temperature measurements performed. The analyses using k-ε models provide more similar trends with analysis results in literature and measurements. Constant temperature zone is achieved with k-ε models. Furthermore, gravitational effect is investigated. In the analysis where gravitational effect is neglected, the air continues to flow through the whole reactor with the declining velocity from 0.3 m/s to 0.1 m/s. However, in reality, the flow is stagnant at the exit of the heating zone, and the flow is maintained using a vacuum pump.