Fondamenti di combustione [1-32]

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1 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria Industriale Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale Insegnamento di Propulsione Aerospaziale Anno accademico 2011/12 Capitolo 3 sezione d Fondamenti di combustione [1-32]

2 DEFINIZIONE DI COMBUSTIONE Combustione: scienza fortemente interdisciplinare Controlla la quasi totalità dell energia di cui si dispone nel mondo Comporta, comunque, un impatto negativo sull ambiente Un possibile sinonimo: aerotermochimica Una possibile definizione di combustione: sviluppo di reazioni chimiche di ossidoriduzione, fortemente esotermiche e molto veloci, per effetto dell accumulo di calore e di prodotti catalizzatori

3 ESEMPI COMUNI DI FIAMME a) b) a) Insieme dei fenomeni fisici associati alla fiamma di diffusione di una candela b) Bruciatore Bunsen: consiste di un tubo nel quale viene introdotto il combustibile gassoso attraverso un iniettore centrale. Il getto di gas a sua volta introduce aria. Combustibile e ossidante arrivano all uscita del bruciatore ben miscelati. La fiamma che si origina è una fiamma premiscelata. E il dispositivo classico per lo studio in laboratorio di fiamme premiscelate

4 PROPAGAZIONE DI FIAMME a) Accendino a gas: getto di gas naturale (95% circa di metano) che diffonde in aria e a seguito di accensione dà luogo a una fiamma di diffusione b) Propagazione di una fiamma premiscelata in un contenitore aperto ad una estremità

5 COMBUSTIONE NEI MOTORI ALTERNATIVI (1/2) motore ad accensione comandata (ciclo Otto) Propagazione laminare e turbolenta di una fiamma in un motore a combustione interna,alternativo, ad accensione comandata. Il processo di combustione in un motore ad accensione comandata (ciclo Otto) si sviluppa attraverso una fiamma premiscelata

6 COMBUSTIONE NEI MOTORI ALTERNATIVI (2/2) motore ad accensione per compressione (ciclo Diesel) Il processo di combustione in un motore Diesel si sviluppa attraverso una fiamma di diffusione. Lo spray di combustibile si riscalda e vaporizza rapidamente per produrre vapori di combustibile che bruciano spontaneamente in aria. Il getto di combustibile ignisce alcune frazioni di millisecondo dopo l iniezione; l iniezione continua per uno o due millisecondi e la combustione termina subito dopo, interessando un tempo equivalente a circa gradi di angolo di manovella

7 COMBUSTIONE NELLA CAMERA DI COMBUSTIONE DI UN TURBOREATTORE (1/2) Possono essere identificate una zona primaria, una zona secondaria e una zona di diluizione. La zona primaria è interessata da una combustione stechiometrica, con temperature raggiunte dell ordine di K. Il progetto aerodinamico della camera prevede sempre la generazione di una zona di ricircolazione che assicura la stabilizzazione della fiamma. Il rendimento di combustione raggiunge nei motori moderni valori dell ordine del 99% su un ampio campo di condizioni operative

8 COMBUSTIONE NELLA CAMERA DI COMBUSTIONE DI UN TURBOREATTORE (2/2)

9 COMBUSTIONE IN UN ENDOREATTORE A LIQUIDO (1/2)

10 COMBUSTIONE IN UN ENDOREATTORE A LIQUIDO (2/2) Esempio di piastra di iniezione Motore Vulcain:iniezione assiale

11 COMBUSTIONE IN UN ENDOREATTORE A SOLIDO (1/2)

12 COMBUSTIONE IN UN ENDOREATTORE A SOLIDO (2/2)

13 COMPOSIZIONE FISICA DEL PROPELLENTE! ""

14 COMBUSTIONE IN UN ENDOREATTORE DI TIPO IBRIDO

15 FIAMME: DEFINIZIONE E CLASSIFICAZIONE FIAMME Superficie di discontinuità (non in senso rigorosamente geometrico, poiché la fiamma è dotata di spessore finito) che separa i reagenti dai prodotti di combustione. La fiamma è sede di reazioni chimiche di ossidoriduzione fortemente esotermiche e, generalmente, molto veloci. Caratteristica peculiare è la capacità di autosostentarsi e di propagarsi, accendendo continuamente strati successivi di miscela fresca. CLASSIFICAZIONE DELLE FIAMME Fiamme omogenee ed eterogenee Fiamme laminari e turbolente Fiamme premiscelate e diffusive Fiamme deflagranti e detonanti

16 STRUTTURA DELLA FIAMMA PREMISCELATA (1/2)

17 STRUTTURA DELLA FIAMMA DI DIFFUSIONE

18 VELOCITA DI PROPAGAZIONE DELLA FIAMMA VELOCITA DI FIAMMA E la velocità relativa alla miscela fresca. E una costante chimico-fisica per una assegnata miscela. E proporzionale alla miscela che, nell unità di tempo, può essere trasformata in gas combusti Velocità di fiamme laminari in miscele stechiometriche: Metano/aria 0.40 m/s Metano/ossigeno 4.00 m/s Idrogeno/aria 1.80 m/s Idrogeno/ossigeno 10.0 m/s

19 TEMPERATURA DI FIAMMA TEMPERATURA ADIABATICA DI FIAMMA E la temperatura dei prodotti di combustione in un sistema adiabatico. In questo caso l energia sviluppata dalle reazioni chimiche esotermiche durante il processo di combustione va a riscaldare i gas combusti Dipende dalla natura del combustibile e del comburente e dal valore del rapporto di miscela. Presenta un massimo in prossimità del rapporto di miscela stechiometrico Combustibile Comburente Temperatura adiabatica di fiamma [K] Acetilene aria 2600 Acetilene ossigeno 3410 Metano aria 2200 Metano ossigeno 3000 Eptano aria 2290 Eptano ossigeno 3100 Monossido di C aria 2400 Monossido di C ossigeno 3220 Idrogeno aria 2400 Idrogeno ossigeno 3080 Condizioni iniziali della miscela reagente: p = 1 bar; T = 298 K; rapporto di miscela: stechiometrico

20 COMPOSIZIONE DELLA MISCELA (1/2) RAPPORTO DI MISCELA () quantità di comburente, in massa o in volume, associata all unità di massa o di volume di combustibile. Si esprime in Kg di comburente per Kg di combustibile (oppure in m 3 di comburente per m 3 di combustibile in condizioni normali) RAPPORTO DI MISCELA STECHIOMETRICO: tra i prodotti di combustione sono presenti solo prodotti di ossidazione completa MISCELE POVERE DI COMBUSTIBILE (o magre) MISCELE RICCHE DI COMBUSTIBILE (o grasse) RAPPORTO DI EQUIVALENZA (): = (Ox/F) / (Ox/F) stech ECCESSO D ARIA: E.A. = ( - 1)

21 COMPOSIZIONE DELLA MISCELA (2/2) Colorazione della fiamma al variare della percentuale di ossigeno nella miscela combustibile. 1. Fiamma prodotta da miscela ricca di combustibile (fiamma gialla per la presenza di fuliggine) 4. Fiamma prodotta da miscela ricca di ossigeno che non produce fuliggine e il cui colore è prodotto dalla banda di emissione dei radicali molecolari

22 INFIAMMABILITA DELLA MISCELA LIMITI DI INFIAMMABILITA concentrazione volumetrica minima di combustibile nella miscela (limite inferiore di infiammabilità) e concentrazione volumetrica massima di combustibile nella miscela (limite superiore di infiammabilità) perché quest ultima possa essere interessata da ignizione Una miscela in grado di dare luogo a reazioni chimiche esotermiche, costituita pertanto da combustibile e da comburente, può accendersi solamente se è caratterizzata da un rapporto di miscela compreso entro limiti ben determinati che variano in funzione della natura del combustibile e del comburente e, a parità di questi, al variare di pressione e temperatura VALORI DEI LIMITI DI INFIAMMABILITA : Stechiometrico limite inferiore limite superiore H 2 /aria (idrogeno/aria) H 2 /O 2 (idrogeno/o 2 ) CH 4 /aria (metano/aria) CH 4 /O 2 (metano/o 2 ) CO/aria (monossido di C/aria) CO/O 2 (monossido di C/O 2 )

23 L ENERGIA SVILUPPATA POTERE CALORIFICO: energia sviluppata nella reazione stechiometrica del combustibile dato con ossigeno molecolare gassoso POTERE CALORIFICO SUPERIORE: H 2 O tra i prodotti allo stato liquido POTERE CALORIFICO INFERIORE: H 2 O tra i prodotti allo stato vapore potere calorifico inferiore potere calorifico superiore [KJ/Kg] [KJ/Kg] Benzina per autotrazione Cherosene Gasolio Metano Propano Butano Monossido di carbonio Idrogeno

24 # " $%! & '!& ' () * )+* &, " -"' ()* )* &, "! -"'. " +% "+% / +."+%!"+%

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27 " #$%&' Una reazione chimica può sviluppare o assorbire calore (esotermica o endotermica, rispettivamente) Se il calore sviluppato viene ceduto all ambiente esterno in modo tale che la temperatura finale dei prodotti è la stessa della temperatura del sistema ossidante-combustibile iniziale (cioè dei reagenti), il bilancio di energia non include contributi legati alla variazione di temperatura e contiene pertanto solo contributi di natura chimica. La natura chimica del sistema finale non è la stessa di quella del sistema iniziale H reazione = & #!Σ '' ( # & ) Σ ' ( # & $ * + $ + H reazione = * = Kcal/Kmole Dalla Prima Legge si deduce che: - Il calore sviluppato è uguale alla variazione di energia interna U per sistemi a volume costante - il calore sviluppato è uguale alla variazione di entalpia H per sistemi a pressione costante

28 " #&%&' 0-! (,!,% -!, " +, 1 1! 9 3%, :!%,!,!- N ' Σν M j= 1 i i N '' Σν M j= 1 i + N j= 1 '' 0 T Hr, T = Σ ν ' ( H + c, dt) ( H c, dt) i f, M p M Σ ν i i + f, M p M i i i i T 0 N j= 1 ' 0 T T 0

29 !! #' La termodinamica chimica studia sistemi contenenti un numero elevato di specie chimiche (si pensi ad esempio alla composizione all equilibrio dei prodotti di combustione). Questo assicura che le ipotesi statistiche su cui è fondata la termodinamica chimica siano valide. La entità chimica considerata è la mole. La reazione: CH 4 (gas) + 2Cl 2 (gas) C (solido) + 4HCl (gas) esprime il principio di conservazione della massa (16 g di CH 4 reagiscono con 142 g di Cl 2 per produrre alla fine 12 g di C e 146 g di HCl); il membro sinistro della reazione è rappresentativo di reagenti prima della reazione, il membro destro è una schematizzazione del sistema finale. Entrambi i membri non forniscono alcuna informazione relativa alla transizione tra lo stato iniziale e quello finale. La cinetica chimica studia, al contrario, sistemi nei quali sono coinvolte singole specie chimiche (atomi, molecole, ioni o radicali). L entità chimica considerata è la molecola. La reazione sopra scritta si definisce reazione globale (o reazione di bilancio). Quando i meccanismi coinvolti nel processo di combustione divengono numerosi, non possono evidentemente avvenire in un singolo stadio di reazione. Il singolo stadio prende il nome di reazione elementare e l insieme delle reazioni elementari costituisce il meccanismo di reazione.

30 !! #' Si è visto che lo studio degli aspetti puramente termodinamici della combustione non richiede la considerazione dei meccanismi chimici reali coinvolti nel processo di combustione. Tali meccanismi devono tuttavia essere considerati per determinare se un processo di combustione può o meno avere luogo sotto determinate condizioni e se tale processo può raggiungere l equilibrio chimico completo nel tempo disponibile al processo. Nel contesto di questa Sezione viene affrontato lo studio delle reazioni elementari, della velocità a cui si sviluppano e delle leggi che governano tale velocità. In secondo luogo si introduce l importante concetto di reazione a catena che rappresenta il meccanismo fondamentale di tutti i processi di combustione. Si definisce molecolarità il numero di specie chimiche coinvolte tra i reagenti di una reazione elementare. Si considerano: reazioni monomolecolari: A reazioni bimolecolari: A + B oppure A + A reazioni trimolecolari: A + B+ C oppure 2A + B o 3A Nel primo caso A è instabile sotto le considerate condizioni. Nel secondo due specie chimiche devono evidentemente interagire, nel terzo le specie chimiche sono tre e tale situazione è molto più rara. Le probabilità di una contemporanea interazione di quattro diverse specie chimiche (molecolarità pari a quattro) è inverosimile e non viene mai considerata.

31 "!!!(! Pertanto, da quanto si è visto, si può affermare che la cinetica chimica studia: - i meccanismi attraverso cui si sviluppa una reazione chimica - la velocità di reazione chimica. Le reazioni chimiche che interessano sistemi chimici reagenti possono classificarsi in: - reazioni in fase gassosa - reazioni in fase liquida - reazioni in fase solida - reazioni eterogenee all interfaccia tra sostanze in fase diverse Le reazioni chimiche possono dividersi, ai fini di una classificazione in termini di velocità di reazione in: - reazioni di natura esplosiva - reazioni di natura non esplosiva Carattere esplosivo: velocità di reazione chimica molto elevata. Il carattere esplosivo è dunque caratterizzante dei sistemi di combustione, ma reazioni non esplosive sono parimenti importanti (ad esempio nella produzione di specie chimiche inquinanti).

32 !)") *!+!(!, dipende da: - concentrazione dei reagenti - temperatura (T) - pressione (p) - presenza di catalizzatori o inibitori di reazione - effetti di natura radiante. si misura in mole/(cm 3 s) può esprimersi come velocità di diminuzione della concentrazione di un reagente (cioè velocità di consumo), oppure come velocità di aumento della concentrazione di una specie prodotta

33 + Ogni possibile reazione chimica può essere descritta da: N Σ ν M j= 1 ' i La velocità di reazione chimica è espressa dalla Legge dell azione di massa: = i N Σ ν M N j= 1 k Π[ M i= 1 i '' i ] ν ' i i ove K è la costante di velocità (o velocità specifica) che dipende solo dalla temperatura T, ed è espressa dalla Legge di Arrhenius: K = B T exp (-E a / R u T) B T : Ea : exp (-E a / R u T) : frequenza di collisione energia di attivazione fattore di Boltzmann (rappresenta la frazione delle collisioni che hanno una energia maggiore dell energia di attivazione E a )

34 () Per una reazione bimolecolare, la reazione ha luogo a seguito di una collisione solo se l energia di traslazione lungo l asse che congiunge i centri delle due molecole al momento della collisione è maggiore di E a. Quindi, per una reazione del secondo ordine: B + C la velocità di reazione è espressa da: ove A = B T. Prodotti d[b]/dt = - k[b] [C] = -A[ B][C] exp [-E a /R u T] Le velocità specifiche di molte reazioni seguono la legge di Arrhenius. Per tutte queste reazioni i dati cinetici diagrammati su un grafico di ln k in funzione di T-1 si trovano su una linea retta. In una assegnata reazione chimica, la velocità specifica di reazione non dipende dalle concentrazioni [M] i e dipende solo dalla temperatura T.