Appunti teoria + progetto Processi di Combustione

Progetto processi di combustione

Prima parte

Una caldaia viene regolata in potenza agendo sul rapporto equivalente di alimentazione. La potenza erogata è legata allo scambio termico dalla formula approssimata QLOAD = G (T_OUT – T_AMB), dove G è un coefficiente globale di scambio termico e T_OUT è la temperatura che si raggiunge nella sezione di uscita della caldaia. Quest’ultima è modellata come perfettamente miscelata ed alimentata a temperatura T_flame adiabatic di combustione derivante da calcoli di equilibrio. Si consideri un rendimento termico della caldaia pari al 96% per alimentazione stechiometrica ed un funzionamento che si basi sui seguenti parametri: il combustibile è GPL (miscela di propano e butano) ed entra a 1 atm e 298 K; l’aria entra nel combustore con una portata di 1 m³/s a 1 atm e 298 K.

Si determini, al variare della composizione del GPL (30/70, 50/50 e 70/30 propano/butano), per rapporto equivalente stechiometrico, la curva di potenza termica erogata e l’andamento delle seguenti grandezze:

• Temperatura adiabatica di fiamma;
• Frazione molare di NO;
• Temperatura dei fumi T_OUT, considerando un coefficiente globale di scambio termico G pari a 81 kJ/K*s.

Si consideri infine, per la composizione del GPL che ha fornito maggiore potenza termica erogata, la possibilità di aggiungere un preriscaldamento dell’aria di alimento a spese dei fumi, e si studi l’effetto del preriscaldamento dell’aria di alimento da 298 fino a 500 K. Si illustri il lavoro con tabelle e grafici.

Seconda parte

Per un dato volume del reattore si scriva il modello adimensionale di un CSTR non isotermo non adiabatico (appunti del docente: link) e si stimino i parametri: ΔT_ad, E_RT, ϵ, β_max, atermicità della reazione, ed energia di attivazione adimensionale. Per i parametri termodinamici e cinetici si ipotizzi una reazione globale di combustione del propano in forte eccesso d’aria (rapporto equivalente < 0.25) assumendo cinetica del primo ordine (Turns, Tabella 5.1 con esponente della concentrazione di propano = 1) e si prenda per Damköhler (tempo di residenza / tempo di reazione) un valore ≤ 15.

Si provi a simulare il sistema al variare di ϕ e a determinare il punto di blowout. Si consideri anche l’effetto dello scambio termico servendosi dei parametri k_rif, β, ϵ. Si adoperi il codice MATLAB: link.

Svolgimento prima parte

Consideriamo le reazioni di combustione del GPL al variare della composizione Propano-Butano:

• Caso A - Miscela 30% propano e 70% butano:

Bilancio C: 0.3C₃H₈ + 0.7C₄H₁₀ + aO₂ + 3.76aN₂ → xCO₂ + yH₂O + 3.76aN₂
x = 0.3 * 3 + 0.7 * 4 = 3.7
Bilancio H: 0.3 * 8 + 0.7 * 10 = 2y
a = 6