Fluidodinamica delle Macchine

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Lucidi del corso di

Fluidodinamica delle Macchine

Fondamenti Combustione in TG

Prof. F. Martelli – Ing. A. Cappelletti, PhD

– Testi di Riferimento:

A.H. Lefebvre “Gas Turbine Combustion”

J.Warnatz, U. Maas, R.W. Dibble“Combustion: Physical And Chemical Fundamentals,

Modeling And Simulation”

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Definizione di combustioneLa 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

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Parametri di interesse TGRapporto stechiometrico aria/combustibile αS, (AFRst)

– massa di ossigeno necessaria e sufficiente alla completa combustione di 1kg di combustibile:

– Per il metano (CH4) in aria si ha αS=17.23 per H2 : αS=34.2

( )yxyx HC

Air

SHC

airS W

Wyxmm

⋅+⋅

+=

= 76.31

4α

ααφ S

HC

air

SHC

air

yx

yx

mm

mm

=

=

•φ>1 miscele ricche

•φ=1 miscele stechiometriche

•φ<1 miscele magre

Si introduce un rapporto di equivalenza φ, così definito

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Potere calorifico

Costituisce l’energia sottoforma chimica contenuta in un kg di combustibile Unità di misura kJ/kg e/o kJ/Nm3

A causa della presenza nei fumi di combustione di acqua è necessariodistinguere fra

P.C. Superiore (HHV, P.C.S) considera l’energia ottenuta riportando i fumifino alla temperatura di riferimento 0 o 15°C quindi recuperando il calorelatente di vaporizzazione dell’acqua.

P.C. Inferiore (P.C.I, LCV, HCI) considera l’acqua rilasciata allo stato divapore P.C. Superiore > P.C. Inferiore

Parametri di interesse TG

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Calcolo del P.C.S per via analitica dall’analisi elementare del combustibile secondo laformula di Dulong

P.C.s.=33,9 ·C+ 144,4 ·[H-(O/8)]+10,5 ·S (MJ/kg) C,H,O,S frazioni in massa

P.C.i.= P.C.s.-2,5 ·(U+9H) [MJ/kg]

La differenza fra P.c.i. e P.c.s. sta nell’entalpia (energia) di vaporizzazione dell’acqua che a patm vale circa 2500 kJ/kg.

Potere calorifico

Parametri di interesse TG

Valori Tipici di P.C.i (kJ/kg): H2 =120.000, CH4 =50.000, Gas Naturale = 47.000

Calcolo del P.C. per sperimentalmente usa la bomba calorimetrica

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Temperatura adiabatica di fiamma

È la temperatura che raggiungono i fumi se la combustione avvenisse in assenza di scambio termico con l’esterno (adiabaticità)

– Tad è funzione del rapporto di equivalenza φ, della temp. iniziale e della pressione

– Tad non tiene conto del reale meccanismo di reazione, ed è pertanto una grandezza “ideale”

K

CH4/Air 2222

H2/Air 2380

C2H2/Air 2523

Temp. adiabatica di fiamma per alcune miscele incondizioni stechiometriche da cond. standard

Parametri di interesse TG

)1(0

++=

φα st

ad

cp

LHVtt

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Limiti di Infiammabilità

Parametri di interesse TG

Identifica il limite superiore e inferiore di concentrazione di combustibile in una miscela tale che sia possibile la combustionefondamentale in sistemi premiscelati

Limiti [% vol]

H2 4.0 - 75

CH4 5.0 - 15

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Combustibili

molto importante conoscere la composizione del combustibile soprattutto il tenore di sostanze contaminanti:

Influenza sull’esercizio: depositi o corrosioneImpatto ambientale

I combustibili tradizionali TG sono: Gas NaturaleOlio combustibile / GasolioCherosene (Avio)

Combustibili alternativi: Biocombustibili (etanolo, bio-olio),H2

Syngas

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CombustibiliLiquidiOlio combustibile (riserva)Cherosene (Avio)Biocombustibili (etanolo, bio-olio)

GassosiGas Naturale H2

SyngasGas poveri

Fase di Evaporazione

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Combustione

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 H2 e CO

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Combustibili Gassosi in TG

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Combustibili LiquidiSono 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

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FiammeLa 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

distinteFiamme parzialmente premiscelate (o ibride)

– la fiamma si sviluppa solo parzialmente a partire da miscele omogenee aria combustibile

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Fiamme premiscelate

Fronte di fiamma: idealmente è la superficie che delimita la miscela fresca dai gas combusti

• la velocità con cui il fronte di fiamma tende a risalire verso la miscela fresca è detta velocità di propagazione della fiamma SF

• il valore di SF dipende dal regime di moto ed è influenzato dalle caratteristiche termochimiche della fiamma (composizione comb, concentrazione, temperatura, pressione)

– 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

•Vref •SF

•gas combusti•miscela fresca

•fronte di fiamma

Regime laminare SF<2 m/s

Regime turbolento SF=5-15 m/s

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•Fiamme premiscelate - Struttura

•Vref •SF

•gas combusti•miscela fresca

•fronte di fiamma

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Fiamme diffusiveNon si individua un fronte di fiamma

distinto– la reazione di combustione si realizza

contestualmente al processo di miscelazione dei reagenti

• diversamente dalle fiamme premiscelatela 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 stabilitàrispetto alle fiamme premiscelate

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Fiamme diffusiveAndamento della temperatura

e delle composizioni delle principali specie

struttura di una fiammadiffusiva turbolenta

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Emissioni inquinantiSostanze 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, NO2)– 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)

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Sostanze incombusteNel processo di combustione degli idrocarburi, le reazioni più lente sono

quelle di ossidazione da CO a CO2– Nelle prime fasi della reazione si forma rapidamente una grande quantità di

CO che poi progressivamente si ossida a CO2• 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

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3102

103

104

105

CO

[ pp

mvd

@15

% O

2 ]

rapporto di equivalenza - φ

T0=300 K T0=550 K T0=800 K

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4100

101

102

103

104

105

CO

[ppm

vd@

15%

O2 ]

rapporto di equivalenza - φ

p=1 [bar] p=10 [bar] p=20 [bar] p=30 [bar]

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Ossidi d’azoto – Meccanismi di formazione

Prompt NO: N2+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 NOx

Nitrous Oxide Mechanism N2O– Si tratta di NO formato per ossidazione di azoto iniziato dalla reazione:

N2+O=N2O N2O+O=NO+NO

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)

•O2=2O

•N2+O=NO+N

•N+O2=NO+O

•N+OH=NO+H

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Ossidi d’azoto – Meccanismi di formazione

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,41200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

NO

[ppmvd@

15%O

2 ]

tem

pera

tura

di f

iam

ma

[K]

rapporto di equivalenza - φ

T NO

0100200300400500600700800

1400 1600 1800 2000 2200 24000,1

1

10

100

1000

NO

[ pp

mvd

@15

%O

2 ]

temperatura di fiamma [K]

NO calcolato exponential fit

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,50

5

10

15

20

25

0.45

0.550.50

0.60

φ = 0.65

NO

[ pp

m ]

tempo di residenza [ms]

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,40

50100150200250300350400450500

NO

[ pp

mvd

@15

%O

2 ]

rapporto di equivalenza - φ

NO p=1 bar NO p=10 bar NO p=20 bar NO p=30 bar

1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 25000,1

1

10

100

1000

10000

NO

x [ p

pmvd

@15

% O

2 ]

temperatura di fiamma [K]

NOx T0=300 K NOx T0=550 K NOx T0=800 K

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Combustore e il ciclo Brayton

Scopo: Innalzare la temperaturadel flusso punti 2->3La combustione avvieneidealmente a pressione costante(2->3 isobara)

Sono presenti delle piccoleperdite di carico (esistenza del punto 3’)

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Schema combustore

Rilascio di un input termico a pressione costante

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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

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Combustore e Turbina a Gas

Componenti dei combustori•L’introduzione di un tratto diffusore a monte esuccessivo convergente consente l’allargamentodella sezione e la necessaria riduzione di velocità(non ancora sufficiente per stabilizzare la fiamma,la cui velocità di propagazione è generalmentemolto bassa) (diffusore). Introducendo un corpo nonaereodinamico (bluff-body) si crea una zona abassa velocità che permette l’ignizione e lapropagazione della fiamma.

•Tuttavia, gli elevati rapporti aria-combustibileportano a realizzare una zona in cui la miscela siaapprossimativamente stechiometrica per migliorarela stabilità di fiamma e diminuire le emissioniinquinanti.

•L’aria in eccesso viene poi miscelata a valle dellazona di combustione.

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Componenti dei combustori•La presenza di un liner forato consente di distinguere la zona dicombustione dalla zona esterna e serve per la refrigerazione.

•Il liner è forato per permettere passaggio di aria dalla zonaesterna alla zona di combustione e realizzare la composizionevoluta.

•Lo swirler è utilizzato per fornire un moto tangenziale al flussod’aria così da creare una zona di ricircolazione e dare maggiorestabilità alla fiamma.

•Concentrico con lo swirler c’è l’alloggiamento dell’ugello iniettore.

•Si possono distinguere tre zone:

Primaria: a stechiometria circa unitaria, con maggiorerilascio termico

Secondaria: per completare la combustione

Diluizione: congelamento della reazione e provvedere unadeguato mix all’aria

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Tipologie camere di combustione

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Tipologie camere di combustione

Camere di combustione tubolari

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Tipologie camere di combustione

Camere di combustione tubolari

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Tipologie camere di combustione

ANULARE: minori problemi di distribuzione di temperatura in uscita (ingresso turbina)

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Tipologie camere di combustione

TUBOANULARE: gli elementi sono interconnessi in caso di flame-out.

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Tipologie camere combustioneCombustione 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).

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Tipologie camere combustione

Combustione a stadi

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Tipologie camere combustione

Combustione a stadi

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Tipologie camere combustioneCombustione 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.

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Tipologie camere combustione

•Combustione con premiscelamento e prevaporizzazione del combustibile

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Tipologie camere combustione

•Sistemi per premiscelamento del combustibile

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Emissioni inquinantiSi 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)

emissioni

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Tecniche riduzione delle emissioni

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Tecniche riduzione delle emissioni

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