Fluidodinamica e Macchine

Lucidi del corso di Fluidodinamica e Macchine Fondamentii Combustione in TG Prof. F. Martelli Ing. A. Cappelletti Pagina 1

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

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

Parametri di interesse TG Rapporto stechiometrico aria/combustibile S, (AFR st ) massa di ossigeno necessaria e sufficiente alla completa combustione di 1kg di combustibile: Per il metano (CH 4 ) in aria si ha S =17.23 per H2 : S =34.2 y x y x H C Air S H C air S W W y x m m 76 3. 1 4 S H C air S H C air y x y x m m m m >1 miscele ricche =1 miscele stechiometriche <1 miscele magre Generalmente si introduce un rapporto di equivalenza, così definito

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

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 =120.000, CH 4 =50.000, Gas Naturale = 47.000

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, 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 st 1) Temp. adiabatica di fiamma per alcune miscele in condizioni stechiometriche da cond. standard K CH 4 /Air 2222 H 2 /Air 2380 C 2 H 2 /Air 2523

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 2 4.0-75 CH 4 5.0-15

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

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

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

Combustibili Gassosi in TG

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

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

Campi di applicazione

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

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

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 (=1) Le fiamme diffusive presentano generalmente migliori doti di stabilità rispetto alle fiamme premiscelate

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

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)

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 100-200 ppm Le emissioni di UHC sono generalmente molto contenute e solitamente limitate alle fasi di fuori progetto dei dispositivi CO [ ppmvd@15% O 2 ] 10 5 10 4 10 3 T 0 =300 K T 0 =550 K T 0 =800 K 10 2 0,2 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 - CO [ppmvd@ 15% O 2 ] 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 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 -

Ossidi d azoto Meccanismi di formazione Meccanismo di Zeldovich-Thermal NO processo prevalentemente endotermico prevalente per T>1850 1900 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

NO [ ppmvd@15%o 2 ] NO [ ppm ] NO [ ppmvd@15%o 2 ] temperatura di fiamma [K] NO x [ ppmvd@15% O 2 ] Ossidi d azoto Meccanismi di formazione 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 T NO 800 700 600 500 400 300 200 100 NO [ppmvd@ 15%O 2 ] 10000 1000 100 10 1 NO x T 0 =300 K NO x T 0 =550 K NO x T 0 =800 K 1200 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 rapporto di equivalenza - 0 0,1 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 temperatura di fiamma [K] 1000 100 NO calcolato exponential fit 25 20 = 0.65 500 450 400 350 NO p=1 bar NO p=10 bar NO p=20 bar NO p=30 bar 10 15 300 250 1 0,1 1400 1600 1800 2000 2200 2400 temperatura di fiamma [K] 10 0.60 5 0.55 0.50 0 0.45 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 tempo di residenza [ms] 200 150 100 50 0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 rapporto di equivalenza -

Similitude Theory in Combustion Process : Re Ma lu u RT 1 Numero di Reynolds, rapporto tra gli effetti inerziali del moto (l 2 u 2 ) e quelli viscosi (lu) Numero di Mach, rapporto tra gli effetti inerziali del moto (l 2 u 2 ) e quelli di comprimibilità (l 2 a 2 ) c p Pr k hc L Nu k Numero di Prandtl, rapporto tra la diffusività molecolare della quantità di moto (/) e della temperatura (k/c p ) Numero di Nusselt, rapporto tra energia cinetica e termica (per unità di massa) Sf l T k 3 2 Numero di Stefan, rapporto tra la potenza termica scambiata per irraggiamento (T 24 ) e conduzione (kt 2 /l) (per unità di area Da Sc Da 1 3 D lr u H ilr uc T p T T 2 1 1 Numero di Schmidt, rapporto tra la diffusività molecolare della quantità di moto (/) e di massa (D) Numero di Damköhler 1, rapporto tra il tempo di residenza (l/u) e quello tipico della reazione di combustione considerata (1/r) Numero di Damköhler 3, rapporto tra la potenza termica sviluppabile dalla reazione (H i r) e a una potenza di riferimento (uc p T 1 /l) (per unità di massa) Rapporto di temperatura di fine combustione e quella di riferimento

Similitude Theory in Combustion Process : Talvolta la situazione fisica può richiedere di analizzare ulteriori fenomeni spesso trascurabili o addirittura assenti. In particolare possono avere importanza: 1) effetti di instabilità dovuti a flusso oscillatorio. 2) effetti di galleggiamento. I primi si misurano nel caso di condizioni di fiamma instabile, di oscillazioni di pressione (fiamme premiscelate) o di forzanti esterne (vibrazioni della macchina), i secondi nel caso di notevoli dimensioni del sistema. Le grandezze e i gruppi adimensionali interessati sono: St Fr fl u u lg f = frequenza del fenomeno oscillatorio, g = accelerazione di gravità. Numero di Strouhal, rapporto tra il tempo di residenza (l/u) e il periodo del fenomeno oscillatorio presente (1/f) Numero di Froude, rapporto tra gli effetti inerziali del moto (l 2 u 2 ) e quelli gravitazionali (l 3 g) g(re, Ma, Pr, Nu, Sf T2, Sc, Da1, Da 3,, St, Fr,, ) T 1 0