Fluidodinamica delle Macchine

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1 Lucidi del corso di Fluidodinamica delle Macchine Fondamenti Combustione in TG Prof. F. Martelli Ing. A. Cappelletti, PhD Pagina 1

2 Testi di Riferimento: A.H. Lefebvre Gas Turbine Combustion J.Warnatz, U. Maas, R.W. Dibble Combustion: Physical And Chemical Fundamentals, Modeling And Simulation Pagina 2

3 Definizione di combustione La combustione è una antica tecnologia, che però provvede circa al 90% di tutto il supporto energetico alle attività umane. Da un punto di visto chimico-fisico la combustione è una reazione di ossidazione fortemente esotermica Nei processi di interesse tecnico, la combustione si realizza con tempi caratteristici dell ordine dei ms ed è accompagnata da emissioni nel campo del visibile (fiamme). Regime di deflagrazione (velocità inferiori alla velocità del suono) Velocità di propagazione della fiamma dell ordine dei m/s Pagina 3

4 Parametri di interesse TG Rapporto stechiometrico aria/combustibile α S, (AFR st ) massa di ossigeno necessaria e sufficiente alla completa combustione di 1kg di combustibile: α S m y ( ) air = = x + 76 m CxH y 4 S W W Per il metano (CH 4 ) in aria si ha α S =17.23 per H2 : α S =34.2 Si introduce un rapporto di equivalenza φ, così definito φ = m mc x m mc air H air x y H y S α S = α C Air x H φ>1 miscele ricche φ=1 miscele stechiometriche φ<1 miscele magre y Pagina 4

5 Potere calorifico Parametri di interesse TG Costituisce l energia sottoforma chimica contenuta in un kg di combustibile Unità di misura kj/kg e/o kj/nm 3 A causa della presenza nei fumi di combustione di acqua è necessario distinguere fra P.C. Superiore (HHV, P.C.S) considera l energia ottenuta riportando i fumi fino alla temperatura di riferimento 0 o 15 C quindi recuperando il calore latente di vaporizzazione dell acqua. P.C. Inferiore (P.C.I, LCV, HCI) considera l acqua rilasciata allo stato di vapore P.C. Superiore > P.C. Inferiore Pagina 5

6 Potere calorifico Parametri di interesse TG Calcolo del P.C.S per via analitica dall analisi elementare del combustibile secondo la formula di Dulong P.C.s.=33,9 C+ 144,4 [H-(O/8)]+10,5 S (MJ/kg) P.C.i.= P.C.s.-2,5 (U+9H) [MJ/kg] C,H,O,S frazioni in massa La differenza fra P.c.i. e P.c.s. sta nell entalpia (energia) di vaporizzazione dell acqua che a p atm vale circa 2500 kj/kg. Calcolo del P.C. per sperimentalmente usa la bomba calorimetrica Valori Tipici di P.C.i (kj/kg): H 2 = , CH 4 =50.000, Gas Naturale = Pagina 6

7 Parametri di interesse TG Temperatura adiabatica di fiamma È la temperatura che raggiungono i fumi se la combustione avvenisse in assenza di scambio termico con l esterno (adiabaticità) T ad è funzione del rapporto di equivalenza φ, della temp. iniziale e della pressione T ad non tiene conto del reale meccanismo di reazione, ed è pertanto una grandezza ideale t ad = t 0 + cp( LHV α st + 1) Temp. adiabatica di fiamma per alcune miscele in condizioni stechiometriche da cond. standard φ K CH 4 /Air 2222 H 2 /Air 2380 C 2 H 2 /Air 2523 Pagina 7

8 Parametri di interesse TG Limiti di Infiammabilità Identifica il limite superiore e inferiore di concentrazione di combustibile in una miscela tale che sia possibile la combustione fondamentale in sistemi premiscelati Limiti [% vol] H CH Pagina 8

9 Combustibili I combustibili tradizionali TG sono: Gas Naturale Olio combustibile / Gasolio Cherosene (Avio) Combustibili alternativi: Biocombustibili (etanolo, bio-olio), H 2 Syngas molto importante conoscere la composizione del combustibile soprattutto il tenore di sostanze contaminanti: Influenza sull esercizio: depositi o corrosione Impatto ambientale Pagina 9

10 Combustibili Liquidi Olio combustibile (riserva) Cherosene (Avio) Biocombustibili (etanolo, bio-olio) Gassosi Gas Naturale H 2 Syngas Gas poveri Fase di Evaporazione Combustione Pagina 10

11 Combustibili Gassosi in TG Classificazione combustibili gassosi naturali GAS NATURALE: miscela di Metano, etano, propano, butano, azoto. P.C.I. convenzionale = 47.7 MJ /kg (CH4=50.0 MJ) combustibili gassosi artificiali sono ottenuti dai processi gassificazione di combustibili liquidi o solidi (olii combustibili, carbone) o come sottoprodotto di altre lavorazioni (gas di coke o d altoforno); hanno come componenti principali H 2 e CO Pagina 11

12 Combustibili Gassosi in TG Pagina 12

13 Combustibili Liquidi Sono ottenuti prevalentemente dalla lavorazione del petrolio greggio garantiscono generalmente combustioni estremamente efficienti facilità di stoccaggio e trasporto le caratteristiche di pulizia e l impatto ambientale sono fortemente dipendenti dal tipo di combustibile Parametri di classificazione: densità, distillazione, punto di infiammabilità e viscosità Cherosene Gasolio Oli combustibili Bio oli Pagina 13

14 Fiamme La reazione di combustione può svilupparsi solo in presenza di una miscelazione a livello molecolare dei reagenti: è possibile classificare le fiamme in base alle modalità con cui aria e combustibile sono preparati all evento reattivo ulteriore suddivisione in base al regime di moto (laminare o turbolento) Fiamme premiscelate fiamme che si sviluppano a partire da miscele omogenee aria combustibile sono realizzabili solo con combustibili gassosi o liquidi (con preventiva evaporazione) Fiamme non premiscelate (o diffusive) aria e combustibile vengono immessi nell ambiente di reazione in correnti distinte Fiamme parzialmente premiscelate (o ibride) la fiamma si sviluppa solo parzialmente a partire da miscele omogenee aria combustibile Pagina 14

15 Fiamme premiscelate Fronte di fiamma: idealmente è la superficie che delimita la miscela fresca dai gas combusti miscela fresca fronte di fiamma gas combusti la velocità con cui il fronte di fiamma tende a risalire verso la miscela fresca è detta velocità di propagazione della fiamma S F V ref S F il valore di S F dipende dal regime di moto ed è influenzato dalle caratteristiche termochimiche della fiamma (composizione comb, concentrazione, temperatura, pressione) Regime laminare Regime turbolento S F <2 m/s S F =5-15 m/s Per avere una fiamma stabile occorre garantire l equilibrio fra la velocità della miscela fresca e la velocità di fiamma la realizzazione di una combustione stabile è l aspetto più critico delle fiamme premiscelate Pagina 15

16 Fiamme premiscelate - Struttura miscela fresca gas combusti V ref S F fronte di fiamma Pagina 16

17 Fiamme diffusive Non si individua un fronte di fiamma distinto la reazione di combustione si realizza contestualmente al processo di miscelazione dei reagenti diversamente dalle fiamme premiscelate la reazione è interessata da un vasto range di composizioni e temperature la forma della fiamma è descritta dal luogo dei punti che presentano composizione stechiometrica (φ=1) Le fiamme diffusive presentano generalmente migliori doti di stabilità rispetto alle fiamme premiscelate Pagina 17

18 Andamento della temperatura e delle composizioni delle principali specie Fiamme diffusive struttura di una fiamma diffusiva turbolenta Pagina 18

19 Emissioni inquinanti Sostanze Incombuste prevalentemente CO ed UHC (Unburned Hydro Carbons) comuni a tutti i dispositivi di combustione emissioni generalmente contenute nei dispositivi ad alta efficienza Ossidi d azoto, NOx (NO, NO 2 ) nascono principalmente per ossidazione dell azoto atmosferico ad alte temperature comuni a tutti i dispositivi di combustione con aria Ossidi di Zolfo (limitati ai combustibili solforati) Particolato solido (di forte rilievo per i combustibili solidi e liquidi) Pagina 19

20 Sostanze incombuste Nel processo di combustione degli idrocarburi, le reazioni più lente sono quelle di ossidazione da CO a CO 2 Nelle prime fasi della reazione si forma rapidamente una grande quantità di CO che poi progressivamente si ossida a CO 2 le emissioni di CO sono generalmente inferiori alle ppm Le emissioni di UHC sono generalmente molto contenute e solitamente limitate alle fasi di fuori progetto dei dispositivi CO [ ppmvd@15% O 2 ] T 0 =300 K T 0 =550 K T 0 =800 K ,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 rapporto di equivalenza - φ CO [ppmvd@ 15% O 2 ] p=1 [bar] p=10 [bar] p=20 [bar] p=30 [bar] 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 rapporto di equivalenza - φ Pagina 20

21 Ossidi d azoto Meccanismi di formazione Meccanismo di Zeldovich-Thermal NO processo prevalentemente endotermico prevalente per T> K presentano una dipendenza esponenziale dalla temperatura sono caratterizzati da una cinetica di formazione molto lenta (meccanismo di formazione tipico delle fiamme diffusive, strettamente dipendente dal tempo di residenza) O 2 =2O N 2 +O=NO+N N+O 2 =NO+O N+OH=NO+H Prompt NO: N 2 +CH=HCN+N meccanismo prevalente in condizioni di temperatura relativamente bassa e caratteristico delle regioni iniziali della fiamma (radicali idrocarburici) la caratteristica peculiare è la elevata velocità delle reazioni Fuel NO Si tratta di NO formato per ossidazione di azoto eventualmente contenuto nel combustibile (sia come azoto molecolare sia legato in composti diversi) In presenza di fiamme diffusive la conversione è prossima al 90% Il meccanismo di formazione è per certi aspetti simile a quello dei Prompt NO x Nitrous Oxide Mechanism N2O Si tratta di NO formato per ossidazione di azoto iniziato dalla reazione: N 2 +O=N 2 O N 2 O+O=NO+NO Pagina 21

22 temperatura di fiamma [K] Ossidi d azoto Meccanismi di formazione T NO 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 rapporto di equivalenza - φ NO [ppmvd@ 15%O 2 ] NO x [ ppmvd@15% O 2 ] NO x T 0 =300 K NO x T 0 =550 K NO x T 0 =800 K 0, temperatura di fiamma [K] NO [ ppmvd@15%o 2 ] NO calcolato exponential fit 0, temperatura di fiamma [K] NO [ ppm ] 25 φ = ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 tempo di residenza [ms] NO [ ppmvd@15%o 2 ] NO p=1 bar NO p=10 bar NO p=20 bar NO p=30 bar ,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 rapporto di equivalenza - φ Pagina 22

23 Combustore e il ciclo Brayton Scopo: Innalzare la temperatura del flusso punti 2->3 La combustione avviene idealmente a pressione costante (2->3 isobara) Sono presenti delle piccole perdite di carico (esistenza del punto 3 ) Pagina 23

24 Schema combustore Rilascio di un input termico a pressione costante Pagina 24

25 Schema combustore air/fuel ratio macchina troppo alto -> separare il flusso Velocità del flusso deve essere limitata -> aumentare la sez. passaggio Distribuzione aria lungo il percorso -> divisione in zone Pagina 25

26 Combustore e Turbina a Gas Pagina 26

27 Componenti dei combustori L introduzione di un tratto diffusore a monte e successivo convergente consente l allargamento della sezione e la necessaria riduzione di velocità (non ancora sufficiente per stabilizzare la fiamma, la cui velocità di propagazione è generalmente molto bassa) (diffusore). Introducendo un corpo non aereodinamico (bluff-body) si crea una zona a bassa velocità che permette l ignizione e la propagazione della fiamma. Tuttavia, gli elevati rapporti aria-combustibile portano a realizzare una zona in cui la miscela sia approssimativamente stechiometrica per migliorare la stabilità di fiamma e diminuire le emissioni inquinanti. L aria in eccesso viene poi miscelata a valle della zona di combustione. Pagina 27

28 Componenti dei combustori La presenza di un liner forato consente di distinguere la zona di combustione dalla zona esterna e serve per la refrigerazione. Il liner è forato per permettere passaggio di aria dalla zona esterna alla zona di combustione e realizzare la composizione voluta. Lo swirler è utilizzato per fornire un moto tangenziale al flusso d aria così da creare una zona di ricircolazione e dare maggiore stabilità alla fiamma. Concentrico con lo swirler c è l alloggiamento dell ugello iniettore. Si possono distinguere tre zone: Primaria: a stechiometria circa unitaria, con maggiore rilascio termico Secondaria: per completare la combustione Diluizione: congelamento della reazione e provvedere un adeguato mix all aria Pagina 28

29 Tipologie camere di combustione Pagina 29

30 Tipologie camere di combustione Camere di combustione tubolari Pagina 30

31 Tipologie camere di combustione Camere di combustione tubolari Pagina 31

32 Tipologie camere di combustione ANULARE: minori problemi di distribuzione di temperatura in uscita (ingresso turbina) Pagina 32

33 Tipologie camere di combustione TUBOANULARE: gli elementi sono interconnessi in caso di flame-out. Pagina 33

34 Tipologie camere combustione Combustione a stadi: Consiste nel dividere l immissione del combustibile in più ugelli nella zona primaria e regolarli in modo che ai bassi regimi solo alcuni ugelli siano in funzione alla loro massima capacità. I tipi di immissione possibili sono: Circonferenziale: gli ugelli sono su una circonferenza. E adatta per combustori tuboanulari e anulari, ma l effetto di raffreddamento dell aria circostante penalizza le emissioni. Radiale: due gruppi di iniettori sono posti al centro e in posizione periferica. Ai bassi regimi, vengono attivati solo quelli in posizione periferica. Assiale: la zona primaria è progettata per i bassi regimi, mentre l iniezione si verifica a valle della zona primaria (ancora in fase di studio). Pagina 34

35 Tipologie camere combustione Combustione a stadi Pagina 35

36 Tipologie camere combustione Combustione a stadi Pagina 36

37 Tipologie camere combustione Combustione con premiscelamento e prevaporizzazione del combustibile: La completa vaporizzazione del combustibile ed il suo miscelamento avvengono prima dell accensione. Si eliminano sia i punti cali che favoriscono la formazione degli Nox che i punti freddi che favoriscono la formazione di CO e HC. Un problema è il tempo di residenza del combustibile ad alta temperatura prima che avvenga l accensione: si possono infatti avere ritorni di fiamma e auto accensioni. Pagina 37

38 Tipologie camere combustione Combustione con premiscelamento e prevaporizzazione del combustibile Pagina 38

39 Tipologie camere combustione Sistemi per premiscelamento del combustibile Pagina 39

40 emissioni Emissioni inquinanti Si noti l inversa tendenza di Nox e incombusti. Le emissioni sono accettabili solo in un range di funzionamento. Generalmente si lavora a ϕ=0.8 (DLN=Dry Low Nox) Pagina 40

41 Tecniche riduzione delle emissioni Pagina 41

42 Tecniche riduzione delle emissioni Pagina 42