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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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