Camere di combustione per TG Principali requisiti

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Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Parma – Ing. Giorgio Toderi
Camere di combustione per TG
Principali requisiti:
elevata efficienza di combustione (ciò significa che il
combustibile deve essere completamente ossidato in modo tale
da rendere interamente disponibile la sua energia chimica);
accensione affidabile e progressiva;
ampio campo di funzionamento stabile (ovvero la combustione
deve mantenersi stabile in un ampio campo di variazione di
pressione, temperatura, velocità e rapporto aria/combustibile);
assenza di pulsazioni di pressione e di fenomeni di instabilità di
combustione;
limitare le perdite di carico;
distribuzione di temperatura all’uscita tale da non indurre nelle
palette statoriche e rotoriche della turbina eccessivi gradienti di
temperatura;
limitate emissioni inquinanti allo scarico;
costi ridotti e facilità di manutenzione;
pesi e dimensioni contenuti e tali da adattarsi alla geometria del
motore;
affidabilità;
adattabilità all’impiego di differenti tipi di combustibile;
Le condizioni nelle quali la camera di combustione si trova ad
operare sono:
elevati eccessi d’aria, con tra 50÷100, allo scopo di limitare le
temperature del fluido evolvente all’ingresso della turbina;
elevate portate effluenti, allo scopo di ottenere alte potenze utili
(come noto il salto entalpico disponibile in turbina è ridotto
rispetto al caso di vapore).
Camere di combustione per turbogas.
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Si consideri ad esempio un condotto a sezione costante.
combustibile
aria
fumi
Nell’ipotesi di fluido non viscoso si può scrivere l’equazione dell’energia nella forma meccanica:
cdc + gdz + vdp + dR + dL = 0
trascurando il termine geodetico (gdz≈0) e il lavoro scambiato (dL≈0) e le perdite (dR≈0) si ottiene:
cdc = − vdp
Dall’equazione di continuità m = S
c
v
c m
=
v S
si ottiene:
(con m e S rispettivamente portata del fluido e sezione del condotto)
dp = −
Combinando le due equazioni si ottiene:
m
⋅ c = costante
S
integrando:
p+
ovvero:
m
p+
S
2
m
dc
S
⋅ v = costante
m
p+
S
dall’equazione di stato dei gas perfetti:
2
⋅
RT
= costante
p
Applicando tale equazione tra la sezione di ingresso 1 e di uscita 2 della camera di combustione si
ha:
m
p 2 − p1 = −
S
sostituendo:
si ottiene:
!
p 2 = p1 − ∆p
∆p
p1
2
+
F ⋅ T1
p12
2
⋅R⋅
T2 T1
−
p 2 p1
2
e
m
F=
S
−1 ⋅
∆p
F
+ 2 ⋅ (T2 − T1 ) = 0
p1
p1
⋅R
Anche in assenza di attriti vi è una perdita di carico proporzionale alla variazione di temperatura
ed al quadrato della velocità (espresso dal rapporto m /S).
Camere di combustione per turbogas.
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combustibile
aria
fumi
combustibile
aria
fumi
combustibile
aria
fumi
zona di passaggio dell’aria secondaria
combustibile
fori di ingresso aria secondaria
liner
nel liner
alla
Turbina
dal
Compressore
zona di
combustione
ingresso aria principale
Camere di combustione per turbogas.
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Camera di combustione utilizzata in applicazioni industriali
C
G
D
A
fuel
B
aria
iniettore
F
E
fumi
A ingresso dell’aria primaria
C zona di innesco della combustione
B zona della combustione
D involucro interno
E parete esterna
F ingressi aria secondaria
Emissioni
L’aria secondaria raffredda l’involucro D prima di miscelarsi progressivamente attraverso le
aperture F ai gas combusti.
In questo modo si riescono a limitare le perdite per combustione incompleta e per dispersione di
calore verso l’esterno attraverso le pareti della camera di combustione.
Infatti nella zona interna avviene la reazione ad alta temperatura, limitando così la formazione di
incombusti; parallelamente le pareti esterne (schermate dal flusso di aria secondaria) restano a
bassa temperatura, contenendo le dispersioni di calore verso l’esterno.
NO
X
particolato
CO
HC
Minima
potenza
Camere di combustione per turbogas.
Massima
potenza
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