aerodinamica-fiamme-bruciatori

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Aerodinamica delle fiamme

FLAME AERODYNAMICS POWER:Part 2 CHAPTER 16

COMBUSTION: Eric G. Eddings :Department of Chemical Engineering

University of Utah Salt Lake City, Utah

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Funzioni di un bruciatore

•  1. Introdurre le desiderate portate di combustibile ed aria in modo da realizzare il rapporto di equivalenza desiderato e introdurre in camera di combustione la desiderata potenza;

•  2. Rilasciare la potenza termica in un definito volume di controllo con una adeguata densità di potenza e campo di temperatura;

•  3. Assicurare una ignizione ed un esercizio stabile per la fiamma

•  4 Assicurare ed introdurre un adeguato miscelamento combustibile comburente nello spazio

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Funzioni di un bruciatore

•  5. Permettere un adeguato range di funzionamento in termini di portata massima/ minima del combustibile (potenza): turndown range

•  6. permettere la variazioni del rapporto combustibile/comburente per ottimizzare la combustione (regolazione)

•  7. avere un esercizio semplice con poca manutenzione •  8. minimizzare la produzione di inquinanti e di rumore •  9. Massimizzare l’efficienza di combustione

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Velocità di fiamma laminare •  La velocità di fiamma laminare è la velocità con cui il

fronte di fiamma si propaga attraverso la miscela di combustibile e comburente Sl

•  Riguarda le fiamme premiscelate. •  In condizioni turbolente la velocità di fiamma St è

decisamente più elevata ed è correlata ad Sl.

•  si tratta di una grandezza che non è influenzata dalla aerodinamica del bruciatore

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Velocità di fiamma

•  Sulla base della teoria di Mallard e Le Chatelier et altri si è visto che:

ωρ

2/1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∝

pf c

kv

ω anche indicata con RR è il rateo di reazione totale della miscela

k conducibilità termica ρ  densità

cp calore specifico

Velocità di fiamma in fiamme premiscelate (laminare)

•  Relazioni tipiche sono: •  Un relazione empirica (metano aria) che tenga conto della

temperatura, pressione, rapporto di equivalenza è:

•  E’ espressa in cm/s con: •  Pr=1 atm (0.1013 MPa); Tr=291 K

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⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

α

βrr

LrL TT

ppSS

1

1log1

32 )13.1(335)12.1(2109.36 −−−−= ERERSLr

)1(22.060.1 −+= ERα

)1(31.042.0 −−−= ERβ

Velocità di fiamma in fiamme premiscelate (turbolente)

•  Si hanno relazioni del tipo:

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4/1

2,0,

, 11'1−

∞⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ++=DaS

uSS

OLL

t

7.0

0,0,

'25.11 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

LL

t

Su

SS

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C2H2"

H2"

CO"CH4"

velocità di fiamma

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Stabilizzazione della velocità di fiamma nei condotti

•  La parete del condotto agisce come pozzo di calore e contribuisce a spegnere (quenching) la reazione.

•  Per velocità della miscela maggiore della velocità di fiamma, la fiamma si solleva (lift off) alla fine del condotto dove le perdite di calore sono ridotte la temperatura è elevata e la velocità di fiamma aumenta.

•  Ulteriori aumenti delle velocità della miscela (portata volumetrica) portano allo spegnimento della combustione (blow off)

•  Alle basse velocità la fiamma si potrebbe propagare all’interno del condotto.

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Diametro di quenching

•  Il diametro del condotto dquenching che impedisce il ritorno di fiamma è detto “ quenching distance”.

•  Esso è definito

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

fpquenching vcd 1

ρλ

λ  conducibilità termica ρ densità vf velocità della fiamma cp calore specifico

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Fiamme premiscelate con getto turbolento

•  La miscela combustibile-comburente è iniettata in camera di combustione con l’ausilio di un ugello (nozzle).

•  Nel condotto il deflusso, in genere, è turbolento.

•  La velocità di fiamma (turbolenta) è circa 4 – 5 volte la velocità di fiamma laminare.

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Fiamme premiscelate con getto turbolento

•  Elementi caratteristici: •  diametro dell’ugello d0

•  velocità media nell’ugello u0

•  velocità della miscela lungo l’asse del getto um

•  Si distinguono le regioni: •  del core •  di mixing •  di transizione •  e la regione completamente sviluppata

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Free jet 1

0

−

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

dxA

uum

KDuxKum

≈

≈

220

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free Jet: profilo radiale di velocità

•  La velocità assiale decresce per effetto dei fenomeni di entrainment

•  E’ dato da una distribuzione radiale di velocità di tipo gaussiano.

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ 2

exp)(xrk

uru

mk= circa 87.42

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Portata di entrainment

•  L’angolo del cono del getto è di circa 19-22 ° •  Secondo Ricou e Spalding la portata di

entrainement è data da:

132.00

2/1

00

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

dx

mm ee

ρρ

dove: ρ density of entrained fluid o nozzle density m˙ e mass flow entrained m˙ o mass flow from nozzle do nozzle diameter

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Getti confinati

•  Sono caratterizzati dalla presenza di una regione di ricircolo dovuta alle pareti di confinamento;

•  La ricircolazione può essere primaria e secondaria:

•  quella primaria è dovuta alla parete e in genere stabilizza la fiamma.

•  se le pareti sono fredde la fiamma è destabilizzata. •  La ricircolazione secondaria riguarda i prodotti

di combustione nella zona di combustione.

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getto confinato Importanti le distanze XN, Xc ed Xp

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getto confinato con swirl

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Getto confinato: modello di Thiring e Newby

•  Ipotesi: •  si espande come un getto libero con un

angolo definito (19.4 °) •  interagisce con la parete alla distanza xp

•  in presenza di swirl il getto colpisce la parete nel punto xN

•  in xC l’entrainment è nullo

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Modello

•  Valutazione dei punti caratteristici 2/1

0

0 32.01

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

e

N

dx

ρρ

Lxp 85.5=dove L= raggio caratteristico della parete di confinamento

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

2/1

00

32.021

epC

dxxρρ

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Modello: entrainment

•  Le portate di entrainment tra i punti N e C •  dovuti alla ricircolazione secondaria è data

da:

132.00

2/1

000

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

dx

mm

mm cericire

ρρ

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Parametro di similitudine

•  e’ definito dalla: 2/1

00

2 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

eLd

ρρ

θ

5.047.0

0

−=θm

mricir si accorda con i dati

sperimentali entro il 10%

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modello

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modello

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getti confinati con swirl: ricircolazione

•  La ricircolazione ed anche lo swirl è essenziale per la stabilità della fiamma

•  Lo swirl caratterizza la velocità tangenziale Vθ all’uscita del bruciatore che causa un gradiente radiale di pressione

rv

drdp 2

θρ=

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Swirl Number S

•  E’ definito dal rapporto tra la quantità di moto angolare e la quantità di moto assiale in un moto assiale.

Rrdrvv

rdrrvvS

R

xx

R

x

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

=

∫

∫

0

0

ρ

ρ θLa componente tangenziale vθ è una forte funzione di r R è il raggio del condotto

Rrdrvv

rdrrvvS

R

xx

R

x

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

=

∫

∫

0

0

ρ

ρ θ

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Stabilizzazione delle fiamme con ostacoli (bluff bodies)

•  La stabilizzazione è dovuta alla formazione di zone di ricircolazione (ricircolating wake).

•  Dato il diametro D del corpo si determina la velocità di spegnimento della fiamma (blow-off) considerando i tempi di ignizione τi con i tempi di contatto τc con la:

ibo

c UD

ττ == da cui: i

boDUτ

=

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Ricircolazione indotta da un ostacolo

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stabilizzazione

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Alcuni ordini di grandezza

•  Per tempi di ignizione dell’ordine di 0.01 s la velocità di spegnimento della fiamma per blow off è dell’ordine di 100 volte il diametro D dell’ostacolo.

•  E’ opportuno che essa sia maggiore di almeno 10 volte la velocità di fiamma turbolenta (circa 3 m/s)

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Conclusioni: fiamme premiscelate

•  1. La ricircolazione dei prodotti di combustione caldi è essenziale per mantenere stabile l’ignizione alle alte velocità di combustione (potenze)

•  2.La ricircolazione secondaria in cavità calde migliora la stabilità dell’ignizione. Si studia con apparati in scala nel caso di getti assiali

•  3. Lo swirl è sempre una tecnica efficace per stabilizzare la fiamma ed anche accorciarla

•  4. La modellistica dello swirl è complessa.