Investigation of air ionization and air plasma formation using the magnetoplasma technology
Manyetoplazma teknolojisi ile havanın iyonlaşması ve plazma oluşumunun incelenmesi
- Tez No: 809520
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERSİN SAYAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Physics and Physics Engineering, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 183
Özet
Bu tez çalışması, plazma teknolojisinin enerji sektöründe ve diğer alanlarda kullanımını inceleyerek plazma temelli elektrikli tahrik sistemlerinin potansiyel uygulamalarını değerlendirmektedir. Çalışma, plazma tarihini, tanımını, plazmanın sınıflandırılmasını ve temel plazma parametrelerini ele alarak okuyucunun plazma konusundaki bilgi birikimini artırmayı hedeflemektedir. Ayrıca, plazma teknolojisinin enerji sektöründeki kullanım alanları incelenmektedir. Daha sürdürülebilir ve çevre dostu enerji sistemlerine yönelik gelecekte yapılacak araştırmalar için öneriler sunmaktadır. Plazma üretim yöntemleri ve kullanım alanları da ele alınarak bu teknolojinin farklı sektörlerdeki uygulanabilirliği değerlendirilmektedir. Bu çalışmanın diğer bir amacı olan atmosferde plazma oluşumunu ve plazmanın etkilerini incelemek adına amacıyla bir deney düzeneği tasarlanmış ve kurulmuştur. Kararlı havanın elektromanyetik dalgalardan etkilenmesi zordur. Bu sebeple deney düzeneği oluşturulurken öncelikle, elektromanyetik dalgalara duyarlı yani karasız hale getirmek için havayı iyonlaştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır, Havayı iyonize etmek için herhangi bir yakıt kullanmadan sadece yüksek elektrik gerilimi kullanılmıştır. Yüksek gerilim için flyback transformatörü kullanılarak DC gerilimi oluşturulmuş ve bu transformatörü sürebilmek için bir frekans devresi tasarlanmıştır. Transformatörün yüksek gerilim çıkışını kontrol etmek için ayrıca bir yüksek gerilim devresi tasarlanmış ve iyonizasyon elektrotlarına bağlanmıştır. İyonizasyon elektrotları arasında DC deşarj ile ilk plazma oluşturulmuştur. Oluşturulan ateşleme plazmasının enerjisi elektromanyetik dalgalarla artırılarak gaz sıcaklığı 1600 °C'yi aşan bir plazma jeti elde edilmiştir. Elektrik ve manyetik alanlar, başlangıçta oluşturulan plazmadaki iyonların enerjisini artırarak ve çevredeki parçacıklara etki ederek iyonlaşmayı sağlamıştır. Bu şekilde plazmayı oluşturan“yarı-nötr yüklü”ve nötr parçacıkların sayısı artmış ve DC deşarjla oluşturulan ilk plazmanın çevresindeki havanın iyonlaşması sağlanmıştır. İyonların kümülatif hareketi ve elektromanyetik dalgaların sağladığı enerjiyle havanın sıcaklığı ve entropisi artırmıştır. Ayrıca, verilen elektromanyetik enerjiyle plazmanın iyonizasyon derecesi ve yoğunluğu da artmıştır. Bu yöntemle oluşturulan sabit plazma jeti deneysel incelmeler için kullanılmıştır. Deneysel çalışma sonucu oluşan plazmanın uzunluğu, sıcaklığı, gücü ve verimi, akış hızı ve magnetron anot giriş voltajı gibi parametreleri ölçülmüş ve yorumlanmıştır. Elektromanyetik dalga gücü, magnetron girişindeki güç kaynağıyla çeşitli seviyelerde ayarlanmıştır. Oluşturulan deneysel tasarım; sadece hava ve elektrik kullanıldığı, atmosferde elektromanyetik enerjinin havaya geçişiyle oluşan plazmanın gözlemlendiği bir düzenektir. Bu çalışma kapsamında, elektromanyetik dalgaların iletimini sağlamak için özel bir dalga kılavuzu tasarlanmış ve sanayi kuruluşlarında ürettirilmiştir. Kuvars cam, plazmanın gözlemlenebilmesi, yüksek sıcaklıklara dayanıklılığı ve elektromanyetik dalgalara karşı geçirgenliği nedeniyle tercih edilmiştir. Tamamlanan deneylerden toplanan verileri işlemek için OOP (Nesne Yönelimli Programlama) ve n-katmanlı mimari kullanan bir uygulama sistematik olarak tasarlanmıştır. Bu uygulama, Entity Framework teknolojisi kullanılarak elde edilen deneysel verilerin Microsoft SQL Server Veritabanına kaydedilmesine yardımcı olmaktadır ve gerekli mühendislik hesaplamalarını yapmaktadır. Ayrıca, verilerin ve sonuçların kapsamlı bir şekilde yorumlanmasını kolaylaştıran bilgilendirici grafiklerin oluşturulmasında kullanılmıştır. Deneysel çalışmalardan elde edilen veriler ve literatürden toplanan bilgiler ile sonuçlar değerlendirilmiştir. Debye uzunluğu (λD) plazma sıcaklığı ile artar. Bununla beraber Debye uzunluğu arttıkça iyonların etki alanı da artmaktadır. Ayrıca plazmayı oluşturan“yarı-nötr yüklü”ve nötr parçacıkları içeren gazın sıcaklığı arttıkça, bu gazın entropisi, parçacıkların kinetik enerjisi ve parçacıkların hızı artmaktadır. Tüm bu durumlardan dolayı elektromanyetik dalgaların iyonlar tarafından emildiği penetrasyon alanı artmakta ve plazma daha yüksek oranda elektromanyetik enerjiyi emebilmektedir. Bu durum, yapılan deneylerde açıkça ortaya konmuştur. Sonuç olarak, bu faktörlerin birleşimi, plazmanın verimliliğinde artış sağlamaktadır ve bu bulgular sonuç bölümünde detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Bu çalışmada yorumlanan gerçek verim magnetron içerisindeki kayıplar giderildikten sonra elde edilir. Sistem, tasarım noktasında tam verimle çalıştığı varsayımına karşın plazmanın mikrodalga enerjisini tam olarak emmemesinden dolayı yaklaşık %10 verim kaybı olmaktadır. Kalan kayıpların büyük bir kısmı, deney düzeneğini korumak için kullanılan soğutma sisteminden kaynaklanmaktadır. Elde edilen sonuçlar, enerji sektörü ve diğer alanlarda plazma teknolojisinin potansiyel uygulamalarının ortaya konmasına katkı sağlamaktadır. Günümüzde kullanılan fosil yakıtlı gaz türbinlerinin atmosfere saldığı CO2 miktarının artmasıyla birlikte, artan dünya nüfusu ve hava ulaşımındaki hızlı büyüme gerçeğiyle karşı karşıyayız. Bu nedenle, egzoz emisyonun azaltıldığı ya da egzoz gazının tamamen ortadan kalktığı çevre dostu ve sürdürülebilir enerji sistemlerine olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu ihtiyaca plazma temelli elektrikli tahrik sistemlerini atmosfer içinde kullanmak çözüm olabilir. Bu hedefler doğrultusunda gerçekleştirilen çalışmamızda elektrik enerjisinin kolaylıkla ortam havasına aktarılabileceği açıkça görülmektedir. Daha kapsamlı bilimsel araştırmalar ile günümüzde %35 ila %45 verimle çalışan gaz türbinlerinin yanma odaları ve art yakıcılarında fosil yakıtlar yerine manyetoplazma teknolojisi kullanılabilir. Bu, karbon emisyonlarının önlenmesi ve küresel ısınmanın en önemli nedenlerinden birinin ortadan kaldırılması açısından önemli bir gelişme olacaktır. Sonuç olarak, bu çalışma plazma teknolojisinin enerji sektörü ve diğer alanlardaki potansiyel uygulamalarını incelemekte ve plazma temelli elektrikli tahrik sistemlerinin değerlendirilmesine odaklanmaktadır. Ayrıca, atmosferde plazma oluşumu ve etkilerini incelemek için bir deney düzeneği tasarlanmış ve kurulmuştur. Elde edilen sonuçlar ve veriler, plazmanın özellikleri ve performansını ayrıntılı olarak değerlendirilmektedir. Bu çalışma, plazma teknolojisinin enerji sektöründeki kullanımının önemini vurgulayarak, daha sürdürülebilir ve çevre dostu enerji sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunmayı amaçlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the usage of plasma technology in the energy sector and other fields and evaluates the potential applications of plasma-based electric propulsion systems. The study aims to increase the reader's knowledge of plasma by focusing on the history, definition and classification of plasma, and the basic plasma parameters. Additionally, the feasibility of this technology in different sectors is determined by discussing plasma production methods and areas of usage. Electric propulsion systems and the applications of plasma technology in this field are examined by addressing fundamental electric propulsion concepts and performance parameters. An experimental setup was designed and built to investigate plasma formation and its effects. When constructing the experimental setup, the first step involved the generation of ignition ions in the air to sensitize them to electromagnetic waves, as stable air is difficult for stable air to be affected by electromagnetic waves. High electrical voltage was applied to ionize the air without the need for any fuel. A flyback transformer was utilized to produce the high voltage required for the DC discharge, and a frequency circuit was designed to drive the transformer effectively. To regulate the high voltage output of the transformer, a dedicated high-voltage circuit was designed and connected to the ionization electrodes. The initial plasma formation occurred through a DC discharge between the ionization electrodes. By enhancing the energy of the ignition plasma using electromagnetic waves, a plasma jet with a gas temperature exceeding 1600 °C was achieved. The electric and magnetic fields played a significant role in increasing the energy of the ions within the initial plasma, facilitating the ionization of the surrounding particles. Consequently, the number of particles forming the plasma, including“semi-neutral charged”and neutral particles, increased, resulting in ionization of the air surrounding the DC discharge. Subsequently, the gas temperature and entropy increased, as the cumulative movement of these ions and the energy provided by electromagnetic waves. Moreover, the given electromagnetic energy contributed to an increase in the ionization degree and density of the plasma. This method enabled the creation of a stable plasma jet. The parameters evaluated and measured to assess the plasma formed by the experimental study included length, temperature, power, and efficiency. Additionally, the flow rate and magnetron anode input voltage were taken into consideration. The electromagnetic wave power was adjusted at various levels using the power source at the magnetron input. The experimental setup solely utilized air and electricity as fuel to generate the plasma. The efficiency, temperature, size, and power of the plasma were thoroughly examined. Within the scope of this study, a specialized waveguide was designed and manufactured in industrial facilities to ensure the effective transmission of electromagnetic waves. The quartz glass tube was selected as the preferred material due to its transparency, high-temperature resistance, and permeability to electromagnetic waves. An application utilizing OOP (Object-Oriented Programming) and an n-tier architecture was systematically designed to process the data collected from the completed experiments. This application was instrumental in saving the experimental data obtained using Entity Framework technology to the Microsoft SQL Server Database and this application performs the necessary engineering calculations. Furthermore, the data were employed to generate informative graphs, facilitating a comprehensive interpretation of the results. The obtained results contributed to revealing potential applications that are related to the usage of plasma technology in the energy sector and other fields. The study emphasizes the importance of research on the usage of plasma technology in the energy sector and more sustainable, environmentally friendly energy systems by providing recommendations for future research.
Benzer Tezler
- Plazma spreylenmiş Cr3C2-NiCr ve Al203-TiO2 kaplamaların abraviz aşınma davranışlarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
UĞUR PAMUK
- Plazma aktüatörlerin sağanak etkilerinin hafifletilmesi için potansiyel kullanımının araştırılması
Investigation of the potential use of plasma actuators for gust mitigation
GÖKÇEN JURNAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM KOLBAKIR
- GGG 40 sınıfı küresel grafitli dökme demirlerin yorulma davranışına tin kaplamanın etkisi
Başlık çevirisi yok
GÖKHAN BAŞMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. KELAMİ ŞEŞEN
- Katı oksit yakıt pillerinde kullanılan LSM ve LSCF katot malzemelerinde iletkenlik-gözeneklilik ilişkisi
Investigation of porosity-conductivity relationship between LSM and LSCF solid oxide fuel cell cathode electrodes
MERT AKEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
EnerjiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ATA
- Elektriksel boşalmaların yük benzetim yöntemiyle sayısal analizi
Numerical analysis of electrical discharges by charge simulation
HAYRİ YILDIRIM
Doktora
Türkçe
2003
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZCAN KALENDERLİ