Performance analysis of air-oil separator tank in oil injected rotary screw compressors with CFD methods
Yağ enjekteli vidalı kompresörlerdeki hava-yağ ayrıştırma tankının CFD metotları ile performans analizi
- Tez No: 530218
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 74
Özet
Kompresörler hemen hemen tüm endüstriyel sektörlerde kullanılmaktadırlar. Yapılan araştırmalarda dünyadaki sanayi elektriğinin yaklaşık %10'u kompresörler tarafından kullanılmaktadır [2-4]. Son yıllarda kompresörlerin enerji verimliliği üzerine bir çok ülke yeni regülasyonlar uygulamaktadır. Yağ enjekteli vidalı kompresörler endüstride en yaygın olarak kullanılan kompresör tipidir. Yağ enjekteli vidalı kompresörlerde en önemli sistemlerden biri hava-yağ ayrıştırma sistemidir. Kompresör sisteminde bulunan yağın bir çok kritik işlevi bulunmaktadır. Bu yüzden sistemde bulunan yağın basınçlı hava ile taşınması istenen bir durum değildir. Yağ tankında gerçekleştirilen ayrıştırma işleminin performansı kompresörlerin düzgün çalışması için önemli bir rol oynamaktadır. Hava ile yağı ayrıştırmak için farklı yöntemler ve ayrıştırmanın gerçekleştiği tankın farklı tasarımları bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, dikey siklon bir hava yağ ayrıştırma tankının hesaplamalı akışkanlar dinamiği metodları kullanılarak performans incelemesi yapılmıştır. Performans incelemesi sırasında, tank tasarımını da optimize etmek için tankın için bulunan vortex tüpünün çap ve uzunluk ölçüleri değiştirilerek toplamda dokuz farklı ölçüde analizler yapılmıştır. Geometrik değişikliklerin yanı sıra, tank girişindeki havanın hızı üç farklı değerde incelenmiştir. Toplamda yirmi yedi farklı kombinasyon için hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi yapılmıştır. Kompresörlerde kullanılan hava yağ ayrıştırma tankları, siklon tip ayrıştırıcılarla kullandıkları yöntem ve geometri olarak büyük benzerlik göstermektedir. Yapılan literatür araştırmasında RSM metodunun yüksek dönel akışların hakim olduğu durumlar için güvenilir sonuçlar verdiği görülmüştür. İki fazlı akışlarda, ana faz ile ikincil fazın hacimsel debi oranlarının %10 ve aşağısı olduğu durumlarda, ikinci fazın modellenmesi için DPM methodunun diğer metodlara göre daha tutarlı sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu tez çalışmasında da yukarıda bahsedilen metodlar kullanılarak hava yağ ayrıştırma tankı analizleri yapılmıştır. Giriş sınır koşulu olarak üç farklı 8-10-12 m/s hız değeri parametrik olarak tanımlanmıştır. Tank çıkışında nominal çalışma basıncı olan 700000 Pa değeri girilmiştir. Ayrıca, DPM metodu sınır koşulu olarak giriş ve çıkış portu“escape”koşulu olarak tanımlanmıştır. Tankın iç yüzeyleri“reflect”, alt yüzeyi ise“trap”olarak tanımlanmıştır. Tankın ayrıştırma veriminin hesaplanması için bu koşullar yüksek önem teşkil etmektedir. Son olarak, girişteki yağ partiküllerinin çapları, partiküllerin küresel olduğu kabulu ile, Rosim Rammler methodu baz alınarak 1 µm ile 100 µm arasında dağılım olarak tanımlanmıştır. Vıdalı kompresörler için özel olarak üretilen ISO V46 sınıfında, 868 kg/m3 özkütleye, 0.0085 kg/m-s dinamik vizkositeye sahip yağ kullanılmıştır. Yağ debisi 60 L/dak olarak tanımlanmıştır. Sistemin çalışma basıncına göre havanın özkütlesi 7.986 kg/m3, dinamik viskositesi 2.11*10-5'dir. Analizler yaklaşık 4000 iterasyon sonucunda yakınsamıştır. Hava-yağ ayrıştırma tanklarının performansı için en önemli iki parameter ayrıştırma verimi ve basınç kaybıdır. Ayrıştırma veriminin düşük olduğu hava-yağ tanklarında, yağ partikülleri basınçlı hava ile sistemin dışına taşınmaktadır. Zamanla sistemdeki yağın azalmasından dolayı kompresör veriminde düşüş ve arızalar meydana gelebilmektedir. Basınç kaybının yüksek olması ise kompresör sisteminin olağandan fazla enerji tüketmesine sebebiyet vermektedir. Yapılan analizler sonucunda giriş hızının basınç kaybı üzerinde ciddi bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Giriş hızının artması ile birlikte basınç kayıpları da hızlı bir şekilde artış göstermiştir. Ek olarak, giriş hava hızlarının artması ile birlikte santrifüj kuvvetlerin ana bileşenlerinden biri olan teğetsel hız değerleri de artmaktadır. Santrifüj kuvvetler ayrıştırma verimi için önemli bir parametredir. Ancak analizler sonucunda, teğetsel hızlardaki artış ayrıştırma verimini bazı vortex tüp dizayları için arttırırken, bazı durumlarda ayrıştırma veriminin azalmasına sebep olmuştur. Vorteks tüp çapı ve uzunluğundaki ölçüsel değişikliklerin etkisi daha net bir şekilde görülmüştür. Vorteks tüp çapındaki ve uzunluğundaki artış ayrıştırma veriminin ve basınç kaybının azalmasını ile sonuçlanmıştır. Tank içindeki yağ partiküllerinin hareketleri incelendiğinde, büyük çaptaki partiküllerin hızla tankın iç yüzey kısımlarına yöneldiği ve büyük ölçüde tankın alt yüzeyine giderek ayrıştığı görülmüştür. 10µm çapına kadar olan partiküllerin zamanla tankın çıkış port bölgesine doğru toplandığı ve bir kısmının çıkıştan kaçtığı görülmüştür. Yirmi yedi farklı konfigürasyon birbiriyler kıyaslandığında en verimli tank tasarımının 8m/s hava giriş hızı değerine, 200 mm vortek tüp çapına ve 300 mm vortex tüp uzunluğuna sahip tank tasarımının olduğu sonucunda varılmıştır.
Özet (Çeviri)
Compressors are used in nearly all industrial sectors. Researches have shown that air compressors are consuming nearly 10% of industrial energy in the world [2-4]. Most of the countries are applying regulations for the energy efficiency of the compressors. Oil injected rotary screw compressors are the most common type that is being used in most of the industries. One of the most important system in oil injected rotary screw compressors is separation system. There are several techniques to perform compressed air and oil separation. In this thesis study, vertical cyclonic air oil separator tank CFD analysis has performed. Nine different vortex finder diameter and length dimension combinations have analysed with three different inlet velocity. In total, twenty seven different cases has taken into account in order to optimize the design air oil separator tank. Many studies revealed that RSM method is the most reliable method in order to predict the complex swirling flow inside air oil separator tank. Moreover, DPM method has shown best results of tracking oil droplets. Same approaches have been taken into account in this study. Velocity inlet has implemented as inlet boundary condition as 8-10-12 m/s. Pressure outlet has given as outlet boundary condition as 700000 Pa since the operating pressure of the compressor system. In addition, inlet and outlet ports have stated as escape condtion. Walls and bottom surface of the air oil separator tank are stated as reflect and trap condition respectively. Finally, Rosin-Rammler particle size distribution has used for oil particles ranging from 1 µm to 100 µm with 1.45 spread parameter. ISO-V46 synthetic rotary compressor oil is used with 868 kg/m3 density, 0.0085 kg/m-s dynamic viscosity and 60 L/min flowrate. Air density and dynamic viscosity is stated as 7.986 kg/m3 and 2.11*10-5 kg/m-s respectively. Separation efficiency and pressure drop is the most critical parameters for the performance of air oil separator tank. Inlet velocity has a big impact on pressure loss inside the air oil separator tank. Pressure loss increased rapidly with the increase in inlet velocity. Furthermore, tangential velocity increases with the increase in inlet velocity which is one of the main sources of centrifugal force acting on oil droplets so on to the separation efficiency. However, results have shown that in some cases increase in inlet velocity resulted in high separation efficiency and for some cases high inlet velocity decreased the separation efficiency. Moreover, dimensional changes of vortex finder diameter and length have more significant affect on pressure loss and separation efficiency. Increase in vortex finder diameter and length has resulted in decrease in separation efficiency and pressure loss. It is also found out that smaller oil particles have more tendancy to escape from the outlet port. Nearly all oil particle droplets larger than 10µm trapped at the bottom surface of the tank. After comparing the results of all twenty seven cases, it is found out that the tank design with 200mm vortex finder diameter and 300 mm vortex finder length at 8 m/s inlet velocity has shown the best performance by considering separation efficiency and pressure loss.
Benzer Tezler
- Türkiye kökenli aspir tohum yağlarının transesterifikasyonu ve dizel yakıt alternatifi olarak değerlendirilmesi
Transesterification of safflower seed oil of Turkish origin and its evaluation as a diesel fuel alternative
ASLI IŞIĞIGÜR
- Benzin ve metanol yakıtlı bazı ateşlemeli motorlarda performans ve emisyon karakteristiklerinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
İBRAHİM KORKMAZ
- Organize sanayi bölgeleri için atıksu arıtımında optimizasyon: Analitik hiyerarşi prosesi ile kavramsal tasarım seçeneklerinin belirlenmesi
Wastewater treatment optimization for organized industrial estates: The determination of the conceptual design options with analytical hierarchy process
NECLA ADALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLHAN TALINLI
- Evsel arıtma çamurları ve atık yağlardan termokimyasal yöntemlerle hidrojen gazı üretimi
Hydrogen gas production by thermochemical processes from treatment sludge and waste oil
EMİRHAN KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Çevre Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ATAKAN ÖNGEN
- Computer-aided exergy and energy analysis of the vacuum distillation unit
Vakum distilasyon ünitesinin bilgisayar destekli ekserji ve enerji analizi
SENA KURBAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR YAMAN