Combustione

Insegnamento
Combustione
Corso di Laurea
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria
per l'Ambiente e l'Energia (DM 270/04)
Docente: Pietro Giannattasio
Anno
1
Periodo
didattico
2
Crediti
6
Anno accademico: 2013/14
Obiettivi formativi specifici:
Il corso si prefigge di introdurre i principi fondamentali della combustione fornendo le basi teoriche propedeutiche alle
diverse applicazioni della combustione negli impianti motori termici e nell’industria di processo. In particolare, saranno forniti
adeguati strumenti chimico-fisico-matematici che consentano di effettuare valutazioni quantitative e predittive dei processi di
combustione.
Competenze acquisite:
- Conoscenza delle diverse tipologie e fenomenologie di combustione
- Calcolo dei parametri termochimici della combustione e della composizione di equilibrio dei prodotti della combustione
- Conoscenza dei principali meccanismi cinetici, calcolo delle velocità di reazione
- Uso delle equazioni di conservazione per sistemi reagenti multicomponente
- Valutazioni per fiamme premiscelate e a diffusione, laminari e turbolente
- Applicazione di modelli 1D per l’analisi di deflagrazione e detonazione
- Conoscenza degli aspetti di base della combustione di solidi
- Conoscenza dei principali dispositivi e sistemi di combustione
Lezioni ed esercitazioni
Argomenti
Ore
Contenuti specifici
Termochimica e combustione
Equazioni di stato. Primo principio della termodinamica. Miscele di reagenti
e prodotti: stechiometria, entalpia assoluta e di formazione, entalpia di
combustione e poteri calorifici. Temperatura adiabatica di fiamma.
Equilibrio chimico: secondo principio della termodinamica, funzione di
Gibbs, prodotti della combustione in equilibrio. Classificazione e chimica
degli idrocarburi.
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Cinetica chimica e principali
meccanismi di combustione
Richiami su reazioni globali ed elementari, velocità delle reazione
elementari e dei meccanismi multistadio. Il sistema H2-O2. Ossidazione
del monossido di carbonio. Combustione del metano. Ossidazione delle
paraffine a più alto peso molecolare. Formazione degli ossidi di azoto:
meccanismi di Zeldovich, di Fenimore e del N2O intermedio.
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Equazioni di conservazione per
sistemi reagenti
Legge di diffusione di Fick. Basi molecolari della diffusione. Diffusione nei
sistemi multicomponente. Equazioni di conservazione per flussi reagenti:
conservazione della massa, delle specie chimiche, della quantità di moto e
dell'energia. Equazione dell'energia nella forma di Shvab-Zeldovich.
Scalari conservati (frazione di miscela ed entalpia assoluta).
6
Analisi termica di sistemi reagenti
Reattori chiusi (reazioni a pressione costante e a volume costante).
Reattori a perfetto miscelamento. Reattori con flusso a pistone.
Applicazioni ai sistemi di combustione.
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Fiamme premiscelate laminari
Descrizione fisica e applicazioni. Geometria della fiamma, velocità e
spessore della lamina di fiamma. Modello semplificato di Spalding.
Struttura di una fiamma metano-aria. Effetto delle variabili fisiche e
chimiche. Correlazioni per la velocità di fiamma. Ritorno di fiamma,
quenching, limiti di infiammabilità, ignizione, stabilizzazione della fiamma.
6
Fiamme a diffusione laminari
Getti laminari non reagenti. Descrizione fisica e teoria semplificata dei getti
reagenti. Lunghezza di fiamma nei bruciatori con foro circolare e a fessura.
Fiamme controllate dal flusso di quantità di moto o dal galleggiamento,
numero di Froude di fiamma. Effetti della geometria, della portata di
combustibile e della stechiometria sulla lunghezza di fiamma. Formazione
e ossidazione del particolato.
6
Evaporazione e combustione di
gocce sferiche
Alcune applicazioni (motori Diesel, turbine a gas, endoreattori a
propellente liquido). Modelli di evaporazione e combustione della goccia.
Transfer number, costante di velocità della combustione, legge del D
quadro, tempo di vita della goccia. Combustione monodimensionale
controllata dall'evaporazione del combustibile liquido.
4
Introduzione ai flussi turbolenti
Definizione di turbolenza. Scale di lunghezza nei flussi turbolenti. Analisi
dei flussi turbolenti. Getti turbolenti assialsimmetrici.
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Fiamme premiscelate turbolente
Alcune applicazioni (motori ad accensione comandata, turbine a gas,
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bruciatori industriali). Velocità di fiamma turbolenta. Struttura delle fiamme
premiscelate turbolente. Numero di Damkohler e regimi di fiamma.
Stabilizzazione della fiamma.
Fiamme a diffusione turbolente
Fiamme a getto: applicazioni, analisi semplificata, lunghezza di fiamma,
radiazione di fiamma, sollevamento e strappamento della fiamma. Altre
configurazioni di fiamma e relativi dispositivi pratici di combustione.
4
Combustione di solidi
Combustione in fase eterogenea. Combustione superficiale del carbonio
(modello a film singolo). Combustione del carbone e di altri solidi.
4
Detonazione
Definizione e descrizione fisica. Analisi monodimensionale della
detonazione. Curva di Rankine-Hugoniot e punti di Chapman-Jouguet.
Limiti di detonabilità. Velocità di detonazione. Struttura delle onde di
detonazione.
4
Totale ore lezioni ed esercitazioni
60
di cui di esercitazioni
12
Ulteriori attività di didattica assistita
Ore
Laboratorio
Seminari e/o testimonianze
Corsi integrativi
Visite guidate
Totale ore dedicate ad altre attività di didattica assistita
0
Totale ore complessive
60
Modalità d'esame: Prova scritta e orale
Testi consigliati:
- Stephen R. Turns, “An Introduction to Combustion: Concepts and Applications”, second edition, McGraw-Hill, 2000.
- Kenneth K. Kuo, “Principles of Combustion”, second edition, John Wiley & Sons, 2005.
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