Katı oksit yakıt hücreleri için ejektör tasarımı ve analizi

Abstract

Katı oksit yakıt hücreleri; doğalgaz ve ağır petrol yakıtları gibi farklı yakıtları kullanarak, daha yüksek verim ve düşük emisyonlarla elektrik üretmek amacıyla geliştirilmekte olan, ticarileşme aşamasındaki sistemlerdir. Yakın gelecekte katı oksit yakıt hücrelerinin, gelişmekte olan akıllı şebeke sistemleri ile birlikte, konutların elektrik ve sıcak su ihtiyacının bir arada, yüksek verim ile doğal gazdan karşılanması amacıyla kullanılacağı düşünülmektedir. Bu çalışmada, katı oksit yakıt hücrelerinde egzoz gazının resirkülasyonu amacıyla kullanılan ejektörlerin tasarım ve analizinde CFD yazılımlarının kullanılabilirliği araştırılmıştır. Öncelikle, literatürde mevcut yöntemler izlenerek; 2 kW elektriksel güç üretme kapasitesine sahip, doğal gaz ile çalışan bir katı oksit yakıt hücresinin anot atık gazlarının resirkülasyonunda kullanılmak üzere, bir ejektör tasarlanmıştır. Tasarlanan ejektörün yakıt hücresinden beklenen çalışma koşullarındaki performansı, Ansys 14.5/Fluent yazılımı ile sayısal olarak incelenmiştir. Ejektörün tasarım koşullarındaki performansının belirlenmesi amacıyla yapılan sayısal incelemede; farklı türbülans modellerinin ve bu modeller ile birlikte kullanılan duvar fonksiyonlarının etkinliği irdelenmiştir. Tasarım değerine en yakın sonucu, RNG k-ε türbülans modeli standard wall functions duvar fonksiyonu ile vermiştir. Kütlesel debiler, resirkülasyon oranı ve STCR, yakınsak-ıraksak lüle ve yakınsak lülenin değişik pozisyonları için elde edilmiştir. Yakınsak lülenin kullanıldığı ejektör, yakınsak-ıraksak lülenin kullanıldığı ejektöre göre daha iyi sonuç vermiştir. Ayrıca elde edilen sonuçların literatürde mevcut sonuçlar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Birincil lülenin yakınsak-ıraksak ve yakınsak olarak kullanılması durumunda en iyi performansın elde edildiği lüle konumu için birincil akışkanın giriş sıcaklığının ve basıncının debiler, STCR ve resirkülasyon oranına etkileri de incelenmiş, basıncın sonuçlar üzerindeki etkisinin sıcaklığa göre daha fazla olduğu görülmüştür.

Solid oxide fuel cell systems, currently at the stage of commercialization, are being developed to produce electricity with higher efficiency and lower emissions by using different fuels such as natural gas and heavy oils. Solid oxide fuel cells in the near future, intelligent network systems with the developing housing of a combination of electricity and hot water requirements, in order to meet natural gas with high efficiency is expected to be used. In this study, we investigated the availability of CFD software for design and analysis of an ejector used for recirculation of exhaust gases in the solid oxide fuel cell. Firstly, following methods available in the literature, an ejector was designed for the recirculation of anode gas in a natural gas operated solid oxide fuel cell having 2 kW electric producing capacity. Ejector designed in working conditions expected of the fuel cell performance was investigated numerically using Ansys 14.5/Fluent software. In order to determine the performance of the ejector design conditions in the numerical analysis; different turbulence models, and these models are used in conjunction with the effectiveness of wall function were examined. The closest results to the design value were given by RNG k-ε turbulence model with standard wall functions. Mass flow rates, recirculation ratio and STCR of the ejector were obtained for different positions of convergent-divergent nozzle and convergent nozzle. The ejector with converging nozzle has given better results than the ejector with converging-diverging nozzle. Also the obtained results were found to be consistent with results available in the literature. Effects of the inlet temperature and inlet pressure of the primary fluid on mass flow rates, recirculation ratio and STCR were examined. The pressure is more effective than the temperature on the ejector performance.