Lezione 3 - Combustione nei Turbogas

Lezioni Combustione 2 10 marzo 2009 Principi sulla combustione nelle Turbine a Gas (TG)
Paragrafo I: Cenni preliminari sulle TG.
Le TG sono fortemente utilizzate per le applicazioni aeronautiche e di produzione dell'energia
elettrica. Il loro nome deriva dal tipo di fluido evolvente utilizzato che in ogni stadio del ciclo
termodinamico è sempre un gas, il più delle volte considerato un gas perfetto.
detto
ciclo
adiabatica del
Joule ( o Brayton ), prevede una prima fase
Tale ciclo,
anche
di compressione isoentropica e
fluido , sviluppata appunto in un compressore; una adduzione di calore isobara , in
una camera di combustione ; una successiva espansione isoentropica adiabatica ,in una turbina. Si
parla infine di sottrazione di calore isobara, che avviene in uno scambiatore di calore. Bisogna fare
una precisazione sul fatto che si può parlare, per un turbogas, sia di ciclo chiuso (con scambiatore
finale) e sia di ciclo aperto (senza scambiatore). Il ciclo aperto è realizzato con il macchinario
schematizzato in fig.1 che, rispetto al ciclo chiuso, mostra le seguenti differenze:
-
Il fluido di lavoro è necessariamente l’aria, aspirata dal compressore alla pressione e alla
temperatura ambiente;
-
L’introduzione di calore nel ciclo avviene mediante un processo di combustione interna, per il
quale l’aria, dopo la compressione, funge da comburente oltre che da fluido di lavoro della
prima parte del ciclo;
-
I prodotti della combustione costituiscono il fluido di lavoro per la parte seguente del ciclo
(espansione). I gas combusti investono direttamente la turbina, la quale dovrà essere in grado
di sopportare questo stress di tipo chimico (problemi di erosione e corrosione della palette).
Lezioni Combustione 2 -
10 marzo 2009 La cessione di calore all’ambiente avviene semplicemente disperdendo i gas combusti
nell’ambiente.
Il ciclo reale si discosta da questo ciclo limite, ma in questa sede non è bene inoltrarsi su tali
questioni.
L'adduzione
di
calore
avviene
in
genere
attraverso
una
combustione
interna fatta
avvenire in un apposito componente detto camera di combustione. Lo scopo di tale adduzione di
calore è quello di innalzare la temperatura dei gas e di aumentare il loro volume specifico. L'obiettivo
che un buon progettista deve perseguire nel progettare tale componente è quello di :
a)
innalzare
meccanica dei
la
temperatura
materiali
del
il
più
combustore
possibile, compatibilmente
stesso
e
dei
con
primi stadi
la
della
resistenza
turbina
(maggiore è la temperatura di ingresso in turbina, maggiore è l'efficienza dell'impianto);
Si può parlare di limitazione di temperatura massima del ciclo a quella per cui i materiali, oggi
utilizzati, fondono.
Gli acciai ad esempio arrivano a T=1000-1200°C, oppure ci sono leghe che arrivano a T=13001400°C.
Oggi esistono leghe molto interessanti con contenuto di allumina ( ferrometalcroiii) . In particolare ,
leghe in cui sono presenti Ferro, Cromo e Alluminio. Quest’ultimo è legato in maniera particolare,
tale comunque, da formare ALLUMINA (AL2O3) ; materiale particolarmente resistente alle alte
temperature e ad alta resistenza chimica ( come la silice Si02) . Quindi , avendo appunto la
caratteristica di essere particolarmente inerte, si può arrivare alla T
max
del ciclo in maniera più “
legittima” .
L’allumina in particolare, anche se stressata con lavorazioni meccaniche, da la sicurezza di fondere o
di ammollire a temperature già note. Invece, gli acciai normali o comunque quelli di più comune
utilizzo vanno sempre testati sperimentalmente in condizioni di lavoro diverse da quelle nominali.
L’unico inconveniente è quello di rendere il pezzo fragile; ovverosia nel caso in cui bisogna lavorare
con pressioni alte, è necessario cautelarsi.
b) Fare in modo che in uscita dal combustore non vi siano forti gradienti di temperatura o punti a
temperatura troppo elevata;
La massima temperatura di cui parliamo è la massima temperatura ammissibile ( ATT: non la T
media che è possibile misurare con una termocoppia allo scarico della camera di combustione ). Cioè
se considerassimo
l’andamento della funzione temperatura nella camera di combustione si
noterebbero dei picchi, quindi la T max raggiungibile sarà proprio quella misurata al picco massimo.
Lezioni Combustione 2 10 marzo 2009 Se dicessi, inoltre, che la temperatura massima è di 1400°C , intendo intrinsecamente che il materiale
costituente l’apparato meccanico fonde a temperature maggiori; o meglio ancora non è garantito il
buon funzionamento della macchina a temperature superiori.
E’ ovvio dunque che sia auspicabile una omogeneità della temperatura sia nel tempo, quanto nello
spazio. Per l’appunto chi costruisce oggi una camera di combustione per una turbina a gas, ha come
specifica di contratto il range massimo di disuniformità spaziale (5-10%) della temperatura.
Una uniformità del genere è ottenibile solo andando a diluire il comburente o il combustibile.
c) ridurre il più possibile la formazione di inquinanti o sostanze tossiche;
d)
avere
una
alta affidabilità in tutti i regimi di carico ed i transitori (evitare spegnimenti
improvvisi e malfunzionamenti pericolosi; es. flash-back);
e) limitare il più possibile le fluttuazioni di pressione e quindi le vibrazioni ed i rumori;
è
importante ridurre le vibrazioni perchè queste possono entrare in
risonanza con le frequenza
naturali dei condotti causandone la rottura.
f) avere un sistema di combustione quanto più adiabatico possibile. Perdere all’uscita della camera di
combustione del calore a quelle temperature
significa perdere
non solo dell’energia utile
all’ottenimento di lavoro specifico, ma significa che si è spesa dell’energia di compressione ed
energia dovuta alla combustione.
La temperatura massima di fiamma deve essere, dunque, quella massima utile; cioè è impossibile
pensare di abbassarla buttando fuori calore dalla camera di combustione. Questo significa abbassare
intrinsecamente la temperatura con del diluente, o per il combustibile o per l’ossidante. Dire diluente
per il combustibile significa dire basso potere calorifico.
Sta di fatto che la maggior parte delle turbine a gas vengono fatte, sbagliando, con la diluizione con
aria; in quanto sarebbe meglio avere un inerte a bassa temperature ( tipo azoto, anidride carbonica).
Ad esempio sarebbe utile avere 1kg di combustibile che diluito con questo ossidante avene 10% di
ossigeno e 90% di inerte .
Facciamo un esempio pratico con la temperatura adiabatica di fiamma del kerosene e di un
ossidante ottenuto dalla miscela di aria e inerte al 50 %.
N.B. E’ utile ricordare che per temperatura adiabatica di fiamma teorica stechiometrica s’intenda la
massima temperatura raggiungibile nella condizioni stechiometriche di un combustibile e aria.
Lezioni Combustione 2 10 marzo 2009 Si miscela 1kg di kerosene (combustibile per turbogas di derivazione aeronautica ) con 15kg di aria
( rapporto stechiometrico del kerosene) ottenendo una temperatura adiabatica di 2200 °C . Partendo
da una temperatura iniziale di 400°C , si capisce come si arrivi ad una temperatura adiabatica di
T=2200 + 400=2600°C.
Se ,però, volessimo una temperatura massima di fiamma di 1300°C , miscelerei i 16kg di prodotto
( 1kg combustibile e 15 kg comburente) con 16 kg di inerte.
Quanto detto vale per l’uscita dalla camera di combustione. Si propongono, adesso, alcune
considerazioni in merito all’ingresso della stessa.
Il rapporto di compressione in qualche maniera avalla l’attitudine del ciclo termodinamico a
lavorare ad una temperatura alta. Può accadere che in determinate condizioni di pressioni e
temperature la miscela stechiometrica può auto accendersi,ovvero ignire , ovvero esplodere.
Nella realtà dei fatti non esistono macchine a combustione interna del tipo turbogas che sfruttino
l’autoignizione del sistema (grande deficienza di queste macchine). Possiamo paragonare questo
caso a quello del motore diesel, per il quale è desiderabile che la miscela stechiometrica auto
accendesse per fornire l’intera quantità di calore al punto morto superiore . Ma di fatto non è
realizzabile in quanto la combustione omogenea generalmente è ricercata in posti delimitati ( vedi
motori diesel).
Nel caso delle turbine a gas, invece, un vero diluente potrebbe ricondurre all’analogo dell’ HCCI.
Lezioni Combustione 2 10 marzo 2009 Rendimento
in funzione del
rapporto di
compressione
di cicli
chiusi ideale di
turbina a gas con
gas perfetti aventi
diversa complessità
molecolare, e quindi
diversi valori del
rapporto dei calori
specifici.
La formula sopra riportata ci fa capire come il rendimento di un ciclo ideale chiuso a gas dipende unicamente dall'innalzamento di temperatura isentropico fornito dal compressore. Lezioni Combustione 2 Nella formula del lavoro specifico compare il rapporto T3/T 1: dato che T1è comunque molto prossima alla temperatura dell'ambiente (se non per applicazioni particolarissime), si evidenzia la dipendenza del lavoro specifico dalla T3 (ossia T massima del ciclo) oltre che da β e dalle caratteristiche del fluido. 10 marzo 2009 Lavoro
specifico in funzione
del rapporto
di compressione di
cicli chiusi ideali di
turbina a gas, con
gas perfetto
biatomico
avente massa
molecolare di 29, a
T1 di 15°C e con
diversi valori della
temperatura
massima T3.
Lezioni Combustione 2 10 marzo 2009 Paragrafo II: Combustori con fiamme non miscelate
Tali tipi di combustori sono
i primi ad essere stati sviluppati ed utilizzati pertanto, risultano
più
affidabili ma meno performanti.
All'interno del combustore si fanno incontrare due flussi paralleli di combustibile ed ossidante i
quali, diffondendo l'uno nell'altro,
prossima
a
danno
quella stechiometrica
e
luogo
proprio
ad
in
una
zona
tale
zona
con
si
una
ha
il
concentrazione
processo
di
ossidazione.
Facendo riferimento ad una turbina aeronautica è possibile dire che, in un primo momento, si attua
una combustione con aria insufflata in una zona detta primaria in condizioni stechiometriche, per
arrivare a temperature alte (2300-2500°C). Dopodiché si aggiunge ancora dell’aria nella zona detta
secondaria, ed eventualmente una zona terziaria, di raffreddamento per arrivare, a fine processo, ad
una temperatura voluta calcolata in precedenza tramite media pesata delle varie temperature .
Nel momento in cui avviene la combustione si raffredda la parete con aria a bassa temperatura in
maniera da contenere la fiamma. Poi, mano a mano, dalla zona secondaria si aggiunge ancora aria, per
miscelare quanto più omogeneamente possibile ed avere temperatura voluta.
Bisogna porre molta attenzione alla diluizione dell’aria sulle pareti.
Nella zona primaria si mantiene contenuta la temperatura del contenitore; ovverosia, deve essere
eliminato calore e insufflata aria per evitare di far arrivare la fiamma sulle pareti (pericolo fusione
contenitore). Per assolvere a tale onere si progetterà la camera di combustione in modo da avere una
serie di veri e propri fori che distribuiranno aria in maniera prestabilita.
Nella prima zona della parte secondaria verrà addotta aria per avere, il cosiddetto,. “Perspiration”
(inteso come trasudamento d’aria) e quindi rendere il processo quanto più uniforme possibile. Nella
Lezioni Combustione 2 10 marzo 2009 seconda parte, sempre della zona secondaria, sarà introdotta ancora aria attraverso le fessure disposte
nella cannula, ma questa volta posizionate l’una di fronte all’altra per generare turbolenza , quindi
vortici, quindi miscelamento efficiente. .
Se volessimo fare una progettazione di massima del combustore, una volta fissata la portata d’aria da
insufflare e quanto spendere per iniettarla in termini di DP (
v iniezione > 10m/s utile ai fini di una
buona turbolenza); sarà fissata l’area totale dei fori:
portata = ρgas * v * Afori
Sarà possibile, quindi, decidere come giocarsi quest’area ( Afori ), ad esempio quanti fori fare e come
posizionarli.
Fiamme
di questo tipo sono state studiate nel precedente corso di combustione I ed in quella sede
sono state denominate fiamme a diffusione. In particolare questo processo ricorda la combustione nel
caso di doppio strato diffusivo.
Così
come
saranno
comparate
le
accensione comandata, similarmente
si
TG
lean
premixed
con
possono accumunare ora
motori alternativi
ad
tali combustori con i
motori ad accensione per compressione.
Infatti così come avviene nella seconda fase del processo di combustione nel motore diesel ( la prima
riguarda l'autoignizione), anche in
questo caso nel combustore
il
fenomeno
predominante
è la diffusione di un flusso di combustibile all'interno di un flusso ossidante.
Il limite principale di questo tipo di combustori è che, nonostante la concentrazione media sia lontana
dalla zona stechiometrica, il processo di ossidazione avviene, come già
zona con miscela
stechiometrica
o
leggermente
problema di stabilizzazione della fiamma; la
diminuire sensibilmente
durante
accennato prima, in
ricca. Pertanto in
temperatura
aumenta
la diffusione dei gas combusti
una
questa zona si avrà un
notevolmente
per
poi
all'interno della corrente
di comburente ad una temperatura più bassa.
Fare una fiamma stabile significa intrinsecamente farla più riaccendibile possibile. Qualora una
fiamma si dovesse spegnere, ad esempio in un turbogas aeronautico, provocherebbe grossi danni;
questo è anche uno dei motivi per i quali si utilizzano più bruciatori.
Questa zona ad alta temperatura comporta vari problemi
tra
i
quali conviene
sottolineare il
possibile danneggiamento del combustore stesso e la formazione di sostanze tossiche ed inquinanti
quali i Termal- NOx (la formazione di tali inquinanti, che sarà studiata più approfonditamente nelle
altre parti di questo corso, è una funzione esponenziale della temperatura; pertanto un abbassamento,
seppur minimo,
della
temperatura massima
diminuzione di inquinanti allo scarico).
all'interno
della
CC comporta una notevole
Lezioni Combustione 2 Per
questo
quelli
10 marzo 2009 motivo ultimamente si cerca di
appena studiati
sono
utilizzati
sviluppare
solo
in
altri tipi di
particolari
combustori mentre
applicazioni
in
cui
è
fondamentale l'affidabilità dell'impianto. È bene inoltre sottolineare che il fenomeno del flash-back
non è presente in tali tipi di impianti.
Paragrafo III: Lean Premixed Combustion
La Lean Premixed Combustion è, come si evince
condizioni
“lean” (rapporto
dal nome, una combustione che avviene in
aria-combustibile elevato);
inoltre è detta “premixed” perchè
combustibile e comburente sono miscelati e poi fatti ignire. Da considerare che si miscela con più aria
possibile, sempre con il limite superiore di infiammabilità. Troppo lean
può causare la non
propagazione della fiamma. Si ha, dunque, il limite d’infiammabilità definito come il limite al di la
del quale non si ha più propagazione laminare di fiamma . L’eccesso d’aria non supererà il 60% .
Nelle TG la combustione avviene in genere sempre con forti eccessi di aria. Infatti se consideriamo che
il fluido
400°C)
evolvente fuoriesce
e
durante
una
dal compressore ad una temperatura abbastanza
elevata
(circa
combustione stechiometrica il calore rilasciato fa sì che ci sia un
aumento della temperatura di circa 2000°C, si capisce che se non fossimo in condizioni lean si
avrebbero temperature di circa 2400°C e quindi temperature
non compatibili
con
la resistenza
termica dei materiali costituenti l'impianto.
La diluizione è altresì
importante perchè
il
processo di
ossidazione avviene meno
violentemente riducendo così i rischi di fluttuazioni e locali aumenti di pressione, cause di vibrazioni
(Combustion driver Oscillation).
Questo tipo di combustore si differenzia dagli altri perchè combustibile e comburente entrano nella
camera di combustione completamente miscelati , così come
si è visto nel funzionamento dei
motori alternativi ad accensione comandata. In tali motori esistono due scelte differenti:
1) utilizzo di un componente apposito per la miscelazione (carburatore) o iniezione indiretta;
2)
iniezione
diretta. Se
evolvente è già una miscela
scelta
invece
si effettua la prima scelta durante la fase di compressione il fluido
di combustibile
e
comburente;
se si effetua la
seconda
la miscelazione avviene successivamente alla compressione e direttamente nella
camera di combustione.
Equivalentemente esistono due tipi di TG lean premixed:
Lezioni Combustione 2 10 marzo 2009 1) il combustibile viene iniettato a monte del compressore;
2) l'iniezione del combustibile viene effettuata all'interno della camera di combustione.
La soluzione (1) è utilizzata maggiormente nel
caso di combustibili gassosi; questa soluzione
tecnica è la più conveniente nel caso in cui le portate di combustibile siano relativamente
caso
ad esempio
dei combustibili
a
basso
elevate,
potere calorifico (Syn-gas, derivati dalla
gassificazione del carbone e/o reflui organici).
La soluzione (2) viene utilizzata invece nel caso di combustibili liquidi; è quindi la più utilizzata nel
campo aereonautico dove il combustibile principe è il kerosene.
Vantaggi e Svantaggi
La
soluzione
compressione
(1)
permette
di combustibile e
di
non
fluido
utilizzare
due
componenti
di lavoro; migliora inoltre
separati
il
per
la
mescolamento della
miscela rendendola più omogenea.
D'altra parte
è
da
tenere sottocontrollo il rapporto di compressione poichè per ß troppo elevati
si corre il rischio di far giungere la miscela in
condizioni
di autoignizione avendo
così un
rilascio di calore indesiderato e pericoloso.
Un altro
evolve
limite
nel
di questa
soluzione
compressore.
La
tecnica
combustione
è
che
l'avere
è
stata
una
miscela
innescata
infiammabile che
nella
CC
tende
naturalmente a risalire la corrente di fluido per bruciare la miscela fresca; la risalita del fronte di
fiamma è compensata dalla velocità del fluido nella CC.
Nel caso di malfunzionamenti
il
fronte di
fiamma
potrebbe
riuscire
a
risalire
la
corrente e a bruciare la miscela all'interno del compressore (tale fenomeno anomalo e pericoloso è
detto flash-back ).
Tale pericolo è meno pronunciato nel caso della soluzione tecnica (2).
Per evitare, anche nel caso
di
malfunzionamenti, il
fenomeno
del flash-back
a
valle
del compressore è sempre prevista una zona di gola (gola di controllo) in cui la velocità del fluido è di
almeno 100 m/s (ricordiamo che una fiamma deflagrativa turbolenta ha una
velocità di
risalita
della corrente di 20-30 m/s).
Per una maggiore sicurezza è opportuno avere velocità elevate non solo nella gola di controllo ma
anche in tutti gli altri punti in cui avviene il mescolamento del combustibile, e cioè in tutti i condotti
di collegamento tra il compressore e la CC.
Lezioni Combustione 2 Inoltre
è
bene avere
10 marzo 2009 una
sezione
di
tali condotti in cui vi siano forti gradienti di velocità
maggiori di 10^3 s^(-1) che, sappiamo, estinguono il fronte di fiamma (gradienti di velocità
ortogonali al fronte di fiamma portano al fenomeno del quenching mentre gradienti paralleli al fronte
di fiamma portano allo stiramento della fiamma).
Il problema appena esposto relativamente alla soluzione (1) è comunque presente, seppure in
maniera
meno
pronunciata, nella
soluzione
(2);
pertanto le
soluzioni tecniche esposte
precedentemente (gola di controllo e zone con forti gradienti di velocità) sono comunque
utilizzate fra la zona di iniezione e quella di combustione.
Per fare in modo che la soluzione tecnica (2) sia concorrenziale alla (1) è bene avere un buon
miscelatore che riesca in poco tempo
ad omogeneizzare
la miscela e che riduca il
tempo
di vaporizzazione del combustibile liquido.
Pertanto
la
ricerca
sta spingendo
verso
lo
sviluppo
di
miscelatori
sempre
più
performanti e sempre più piccoli, rendendoli così componenti di alta tecnologia.
Analisi del processo di combustione
Quanto detto finora riguardava la preparazione della miscela che desideriamo sia il più
omogenea,
tuttavia
la
carica
si
presenterà
sempre
stratificata.
possibile
La combustione vera e
propria è identica per entrambe le soluzioni tecniche analizzate precedentemente.
La miscela omogeneizzata arriva all'interno della CC; qui è necessario l'immissione di
energia
termica dall'esterno per far sì che si abbia l'attivazione del processo di ossidazione.
Nei
motori ad
candela;
tale
accensione comandata
emissione
di
energia
tale
energia
avviene
in
esterna è fornita mediante
modo
intermittente
la
ed innesca la
combustione di una miscela quiescente.
Nel caso della TG dobbiamo avere invece una fonte di calore continua e che inneschi il processo di
ossidazione di una miscela in flusso.
Eistono varie soluzioni
tecniche per
innescare
la combustione, tuttavia non si può in questa
sede entrare nello specifico ma si daranno soltanto delle linee guida generali su alcune di esse.
La soluzione di gran lunga più utilizzata è quella che prevede la presenza di alcune fiammelle,
fiamme Pilot ,
che
bruciando
rilasciano alla
miscela
il
dette
calore necessario per l'innesco
dell'ossidazione. Generalmente le fiamme Pilot sono disposte circonferenzialmente
nella zona più
Lezioni Combustione 2 10 marzo 2009 esterna della CC; il fronte di fiamma pertanto avanzerà
verso il centro della CC
ed il processo
terminerà quando questo fronte difiamma sarà arrivato a bruciare la zona centrale del getto.
In genere tale processo ha una durata dell'ordine del millisecondo; se consideriamo che la velocità
media della corrente all'interno della CC è di circa 100 m/s capiamo che tutto il processo avviene
nello spazio di 10 cm.
Un'altra
soluzione per
fornire alla miscela l'energia
di attivazione necessaria per
il processo
della combustione è quella di fare in modo che la miscela scambi calore con i gas combusti per
rendere il processo autosufficiente.
Tale scambio di calore avviene in genere attraverso il ricircolo dei gas combusti all'interno della CC
stessa. Questo ricircolo può essere effettuato in vari modi e se ne parlerà più approfonditamente nel
seguito della lezione.
In questa sede è però bene sottolineare che il ricircolo interno comporta maggiori rischi di innesco del
fenomeno del falsh-back ed inoltre acutizza i gradienti di velocità nella zona che vede l'inizio del
processo di ossidazione, pertanto è maggiore anche il rischio del fenomeno del
blow-off
(spegnimento della fiamma).
Paragrafo IV: Rich Quench Lean
La combustione Rich Quench Lean prevede che all'interno del combustore vi siano tre
zone
in
cui si ha un diverso tipo di fluido evolvente e diversi regimi di combustione.
Nella prima zona della CC si innesca una fiamma con un rapporto stechiometrico di ariacombustibile; in tale zona si avrà la formazione di molte specie inquinanti dovute all'elevata
temperatura adiabatica di fiamma.
Prima che la
combustione
di quenching in
cui viene diluito
miscela, nonostante
sia adesso
ossidi completamente il combustibile , il fluido
e
in
“sopravvivere” bruciando così il
raffreddato; grazie
condizioni lean, il
combustibile
rimasto,
all'elevata
processo di
entra nella zona
temperatura
della
ossidazione riesce a
abbattendo
la maggior
parte
delle specie inquinanti formatesi precedentemente, e quindi completando la combustione. Processo
rich, si espongono gli ossidi di azoto in ambiente riducente nel quale si riducono e si combinano in
modo tale da ricacciare nuovamente ossigeno ed azoto, riducendo gli NOx in N2.
Lezioni Combustione 2 A valle di
tale
10 marzo 2009 processo si nota
una
bassa
concentrazione di
specie
inquinanti e
un'altissima percentuale di combustibile trasformatosi in prodotti finali della combustione
stessa.
La diluizione della miscela è effettuata attraverso un ricircolo totale o parziale dei gas combusti.
Esistono vari modi per effettuare tale ricircolo, in particolare ne consideriamo tre.
1) Se immettiamo nella CC un flusso swirlato, questo flusso tende naturalmente ad
una
depressione verso l'ingresso
che
porta
il
aprirsi e crea
fluido a ricircolare all'interno della CC; tale
metodo è molto usato ma dà luogo ad un ricircolo parziale di piccola
entità e per questo
è
nella maggiornaza dei casi accoppiati con gli altri due metodi che ora presentiamo.
2) Una soluzione tecnica per il ricircolo totale e di grande utilizzo nelle applicazioni
militari è quella di creare una cavità al di sotto di un flusso che passa ad altissima velocità. In questa
zona si creerà un notevole vortice dovuto alla depressione instaurata dalla presenza della cavità stessa.
Questa soluzione tecnica è anche detta vortice intrappolato .
3) Impinging flame :
perpendicolarmente al
flusso,
dopo che la
reazione di combustione
si è già innescata, viene posto un ostacolo che costringe il fluido a deviare radialmente; a seguito di
ciò, quando il fluido incontra le pareti della CC parte del fluido viene spinto verso l'uscita e
parte
è
spinto
a
ricircolare all'interno della CC stessa. Questo metodo può essere utilizzato sia
per avere un ricircolo interno parziale che totale.
Paragrafo V: Combustori HDDI
L'acronimo HDDI
sta
per Hot
Diluted
Diffusion Ignition;
è
stato denominato in
questo modo per sottolineare alcune caratteristiche di questo tipo di combustione. Così come si evince
dal nome, si ha a che fare con una tipica fiamma a diffusione; in particolare
il combustibile
sono altamente diluiti (Diluted)
diluizione, come già detto precedentemente, è
sistema
e
abbattere
le
però
l'ossidante
o
e sufficientemente preriscaldati (Hot). La
necessaria
per aumentare l'inerzia termica
del
temperature massime, mentre il preriscaldamento serve a fare ignire la
miscela. Analizziamo adesso alcune possibili applicazioni di tale tipo di combustione.
Nel caso in cui volessimo utilizzare le TG per bruciare particolari combustibili quali i prodotti della
gassificazione del carbone oppure reflui organici e percolato, siamo in presenza di combustibili
altamente diluiti (i reflui organici e il percolato sono formati da un 90% di acqua e un 10% di prodotti
organici) e quindi a basso potere calorifico; pertanto dobbiamo necessariamente preriscaldare
combustibile
importante
per
è
fare
lo
in
modo che
smaltimento
il processo
si
attivi.
Oggigiorno un
il
problema
dei reflui organici e del percolato. Una possibile soluzione a
Lezioni Combustione 2 10 marzo 2009 questo problema è utilizzare questo tipo
di combustione per migliorare
lo
smaltimeno
e
produrre contemporaneamente dell'energia elettrica, riducendo in questo modo l'inquinamento.
Considerando le alte pressioni che si hanno all'interno della CC è necessario avere un
preriscaldamento di
tali
combustibili
ad almeno 900-1000°C; la
sfida tecnica è riuscita
a sviluppare la tecnologia che permetta tale preriscaldamento a basso costo. La soluzione sembra in
questo momento il ricircolo interno dei gas combusti. Un'altra possibile applicazione prevede la
diluizione della corrente ossidante. Recenti studi hanno dimostrato come piccole aggiunte di acqua e
anidride carbonica riescano a modificare la cinetica chimica di questi processi di ossidazione
ottenendo così una sensibile
riduzione degli
inquinanti;
inoltre
studi
in corso hanno il
compito di indagare l'influenza di altissime diluizioni con acqua.
Ancora un'altra applicazione di questo tipo di combustione riguarda questa volta gli impianti
vapore; si
può
infatti
pensare
a
di inserire nella corrente fluida piccole quantità di
combustibile ed ossigeno per trasformare la seconda parte dell'adduzione di calore ed i successivi
surriscaldamenti in una combustione esterna piuttosto che, a differenza di quanto avviene
normalmente, in una combustione esterna. Se si utilizza come combustibile dell'idrogeno I prodotti di
combustione non sono nient'altro che acqua
combustibile
un
idrocarburo
pura.
Nel
caso
in
cui
si
utilizzi
come
leggero quale il metano è possibile facilmente eliminare nel
degasatore l'anidride carbonica prodotta.