Experımental and numerıcal ınvestıgatıon of hydrogen enrıched natural gas combustıon ın domestıc gas burners
Ev tipi gazlı ocaklarda hidrojenle zenginleştirilmiş doğalgaz yanmasının deneysel ve numerik incelemesi
- Tez No: 995232
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET YOZGATLIGİL, PROF. DR. İSKENDER GÖKALP
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Ev tipi gazlı ocaklar, kapalı iç ortamlarda çoğunlukla fosil yakıt ile kullanılmaları nedeniyle iç mekân hava kalitesini, halk sağlığını ve hane enerji tüketimini doğrudan etkilemektedir. Doğal gaz; erişilebilirliği, nispeten düşük maliyeti ve kurulu altyapısı sayesinde konutlardaki pişirme ve ısıtma uygulamalarında en yaygın kullanılan yakıt olmaya devam etmektedir. Küresel ısınmanın azaltılması ve sera gazı emisyonlarının düşürülmesi konusundaki acil gerekliliğin yanı sıra, son dönemde yaşanan jeopolitik krizler enerji arzının güvenliğinin önemini vurgulamış ve sürdürülebilir alternatif arayışlarını hızlandırmıştır. Bu bağlamda hidrojen, karbonlu emisyon üretmeyen yanma özelliği ve mevcut doğal gaz sistemleriyle karışım halinde kullanılabilme uyumluluğu sayesinde umut vadeden bir temiz enerji kaynağı olarak öne çıkmaktadır. Ancak hidrojenin mevcut gaz hatlarına entegre edilmesi ve ev tipi gazlı yakıcılarda kullanılması için güvenlik, verimlilik ve emisyon konularında detaylı inceleme gerekmektedir. Bu tezin amacı, doğal gaza hidrojen ilavesinin ocak tipi gazlı ocakların performansı, çalışma verimliliği ve emisyon karakteristikleri üzerindeki etkilerini incelemektir. Bu çalışmada sayısal ve deneysel yöntemler birlikte kullanılmıştır. Cantera kullanılarak gerçekleştirilen bir boyutlu hesaplamalarla, farklı eşdeğerlik oranlarında hidrojen–metan karışımları için adyabatik alev sıcaklıkları ve laminer alev hızları elde edilmiştir. ANSYS Fluent ile gerçekleştirilen üç boyutlu CFD simülasyonlarında, yakıcı k–ω SST türbülans modeli, Flamelet Generated Manifold (FGM) ve eşlenik ısı transferi teknikleri kullanılarak kararlı akış koşullarında modellenmiştir. Deneysel çalışmalarda nominal ısı girdisi, verim ve emisyonlar (CO, CO2, NOx) ölçülmüş; brülör yüzey sıcaklıkları termokupllar ile tespit edilmiştir. Ev tipi gazlı bir ocak içerisinde oluşan gaz basınç kayıplarının belirlenmesi amacıyla sayısal ve deneysel incelemeler yapılmıştır. Hem sayısal hem de deneysel sonuçlar, %15 hidrojen karışımına kadar nominal ısı girdisinin beyan edilen alt sınırın altına düşmediğini göstermiştir; Wobbe İndeksi esas alındığında ise sınırın yaklaşık %25 hidrojen oranına kadar genişlediği görülmüştür. Deneysel sonuçlar ayrıca, %40 hidrojen ilavesiyle pişirme veriminin %16 kadar arttığını ortaya koymuş; hem sayısal hem de deneysel analizler, artan hidrojen içeriği ile birlikte CO, CO2 ve NOx emisyonlarında genel bir azalma eğilimi olduğunu göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Domestic gas burners directly affect indoor air quality, public health, and household energy consumption because they operate in enclosed environments and predominantly use fossil fuels. Natural gas remains the most widely used fuel for residential cooking and heating due to its availability, relatively low cost, and established infrastructure. In addition to the urgent need to mitigate global warming and reduce greenhouse gas emissions, recent geopolitical instabilities have emphasized the importance of energy security, accelerating the search for sustainable alternatives. In this context, hydrogen has emerged as a promising clean energy carrier, offering carbon-free combustion and compatibility with existing natural gas systems when blended. However, integrating hydrogen into existing gas networks and using it with domestic burners requires detailed investigation to ensure safety, efficiency, and compliance with emissions standards. The objective of this thesis is to examine the effects of hydrogen addition to natural gas on gas stove performance, operational efficiency, and emission characteristics. In this study, a combined numerical and experimental methodology is adopted. One-dimensional simulations using Cantera provide adiabatic flame temperatures and laminar flame speeds for hydrogen–methane mixtures across equivalence ratios. Three-dimensional heat transfer and CFD analyses are performed in ANSYS Fluent to simulate the burner using the k–ω SST turbulence model, the Flamelet Generated Manifold (FGM) and conjugate heat transfer techniques under steady-state conditions. Experimentally, nominal heat input, efficiency, and emissions (CO, CO2, NOx) are measured and burner surface temperatures are obtained via thermocouples. Numerical and experimental investigations are conducted to quantify gas pressure losses within a domestic gas stove. Both numerical and experimental results show that hydrogen blending up to 15% does not reduce the nominal heat input below the declared limit, while evaluation based on the Wobbe Index indicates that this threshold extends to approximately 25% hydrogen. Experimental results further reveal that cooking efficiency increases by 16% at 40% hydrogen enrichment, and both numerical and experimental analyses demonstrate a decreasing trend in CO, CO2, and NOx emissions with increasing hydrogen content.
Benzer Tezler
- Kıvılcım ateşlemeli doğal gazlı motorlarda hidrojen ilavesinin yanma karakteristiği ve performans üzerine etkisinin had yöntemi ile incelenmesi
Investigation of the effects of hydrogen addition on combustion characteristic and performance of a natural gas-fueled spark-ignition engine using the CFD method
BARIŞ BİNGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Türkiye linyit kömürleri için yer altında kömür gazlaştırmasının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of underground coal gasification for Turkish lignite
OĞUZ BÜYÜKŞİRİN
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT GÜR
- Thermal-hydraulics analysis of ITU TRIGA MARK II Research Reactor with 3D computational fluid dynamics simulations
İTÜ TRIGA MARK-II Araştırma Reaktörünün 3D hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonu ile ısıl hidrolik analizi
FERİDE KUTBAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SENEM ŞENTÜRK LÜLE
- Impact of hydrogen addition on combustion characteristics in a swirl-stabilized partially premixed combustor
Gırdaplayıcı içeren kısmi karışımlı yanma odasına hidrojen ilavesinin yanma karakteristiklerine etkisi
TUĞBA KARASU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Investigating the effects of hydrogen enrichment in a partially premixed methane-air flame
Kısmi karışımlı metan-hava alevinde hidrojen zenginleştirmesinin etkilerinin incelenmesi
MEHMET KAĞAN ADIGÜZEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR