Scambio termico e combustione nelle macchine (no CFD)

Design Requirements

• Alta efficienza di combustione: non è difficile da raggiungere. Il combustibile dovrebbe bruciare completamente così che tutta la sua energia chimica è trasformata in calore.
• Ignizione affidabile e rapida accensione: a livello terrestre uno spegnimento della fiamma causa soldi persi, a livello aeronautico mette a rischio la vita delle persone, è necessario che in un possibile guasto si riaccendano velocemente i motori. Devo quindi garantire degli ampi limiti di stabilità della fiamma.
• Poche perdite di pressione: il compressore mangia letteralmente almeno il 40% dell'energia totale. Non posso permettermi grandi perdite di pressione visto che la sto pagando a caro prezzo.
• Temperature in grado di garantire una lunga vita ai componenti della turbina (fondamentale nelle heavy-duty).
• Low emissions di NOx e CO.
• Fuel flexibility: nel campo aeronautico non ho tanta flessibilità a causa di esigenze di volo.

Il gas naturale è attualmente il combustibile più utilizzato nel settore terrestre.

Per le turbine aeronautiche, il peso e le dimensioni sono importanti.

Le turbine pesanti sono progettate per avere una lunga durata operativa.

Esistono due tipi di combustori:

1. Combustori tubolari (a): utilizzati per macchine di piccole dimensioni senza limiti di peso. Sono pesanti perché ogni iniettore ha un rivestimento e un involucro, quindi non sono adatti all'uso aeronautico. Il loro vantaggio è la facilità di manutenzione, basta smontare un bruciatore e sostituirlo. Anche in caso di guasto di un bruciatore, gli altri non ne risentono in quanto sono indipendenti l'uno dall'altro. Durante la fase di sperimentazione, è sufficiente utilizzare un singolo bruciatore.
2. Combustori anulari (b): adatti per macchine di grandi dimensioni, poiché sono meno complessi e più leggeri. Hanno un unico rivestimento e un unico involucro, tutti i bruciatori sono disposti adiacenti l'uno all'altro. Se da un lato offrono leggerezza e semplicità costruttiva, dall'altro...

nel caso di guasto di un bruciatore, anche quelli adiacenti risentono della mancanza di una fiamma e lavorano peggio. Questo è analogo anche in fase di test, non posso utilizzare solo un combustore o una parte, questi combustori sono progettati per funzionare assieme e anche i test vanno fatti con tutto il sistema di combustione acceso (test più dispendiosi). Combustori tuboanulari (c): ho un unico casing ma ogni combustore ha il proprio liner. Sono una via di mezzo fra i due precedenti. È una classificazione un po' obsoleta, adesso esistono una serie di nuove applicazioni che, classificarle in tre categorie distinte, è una forzatura. Silos: Combustore perpendicolare alla linea d'asse, applicabile solo in una macchina di utilizzo industriale poiché di eccessivo ingombro. Sicuramente la soluzione più comoda in termini di manutenzione. Ho bisogno di solo una pilot flame per poter sostenere la reazione. Sono sempre più rari, alcune sul

Mercato vengono immesse ma ne esistono numerose che lavorano con tale sistema.

Can Annular: Posso portare fuori dalla macchina il can del combustore, adotto un reverse flow, in questa maniera opto a fare una combustione accessibile dall'esterno. Posso quindi in questo caso mantenere la combustione senza aprire la macchina. In più ho la possibilità di fare un by-pass. Nel caso in cui ho fiamme ricche ho margini di regolazione del FAR molto ampio, se ho invece combustori con fiamme magrissime, quando voglio ridurre il carico non posso togliere solo il combustibile, dovrò necessariamente togliere aria per evitare di spegnere la macchina.

SOLUZIONI PER COMBUSTORI DI MACCHINE AERODERIVATE

Soluzione GE Per aumentare il tempo di residenza della reazione RADDOPPIO il volume della camera di combustione rispetto alle camere convenzionali. Con il nuovo sistema di premiscelazione, circa l'80% del flusso d'aria va negli iniettori, per evitare di avere un flusso

eccessivamente veloce devonecessariamente aumentare la sezione di passaggiocosì da rallentare maggiormente il flusso. Devo fareun numero elevato di fiamme premiscelate. 100

Soluzione Rolls RoyceLe aeroderivate RR optano su una soluzione di microcombustori a silos, nell’ordine della decina.Sviluppano in direzione radiale il combustore. Avendomaggiori volumi disponibili e maggiori regolazioni a cuiporre attenzione, spesso si può andare in contro avibrazioni dovute a differenze di pressione causate da unoscambio di calore non omogeneo e non stazionario.Entrambe le soluzioni, benché diverse, devono necessariamente ottenere gli stessi risultati intermini di vincoli ambientali e di spazio dettati dal mercato.

PRESSURE LOSS APPROACHEsistono più approcci classici per il calcolo delle perdite di pressione all’interno della camera dicombustione. La progettazione si imposta tenendo sotto controllo il fattore di perdita complessivapoiché è un

parametro fondamentale. Si sposa bene con una fiamma di tipo deflagrante e si tiene sotto controllo osservando i profili di velocità. Non posso permettermi il 10% di perdita di pressione in un combustore poiché avrei una diminuzione del rendimento complessivo inaccettabile. Ho perdite di pressione totale (2-8%) sia per attrito (a freddo) sia per le variazioni di densità conseguenti alla reazione (flusso di Rayleigh). Flusso di Rayleigh: fornire calore ad un flusso subsonico causa un aumento della sua velocità verso condizioni soniche con una diminuzione della pressione totale (vedi curve di Rayleigh). È per questo che avrò delle perdite di pressione in camera di combustione dalle quali non posso prescindere. COMBUSTOR LENGTH La tendenza è quella di avere combustori sempre più corti e tanto lunghi quanto larghi. Adesso utilizzo in maniera massiva gli swirler che mi permettono di avere una ricircolazione e quindi una diminuzione del fronte di.

fiamma; inoltre passando ad una fiamma premiscelata ottengo un fronte di fiamma definito ed uniforme. Prima utilizzavo fiamme diffusive senza dare molta importanza a questo componente, necessitavo di una lunghezza adeguata del combustore per ottenere un corretto completamento della reazione. Con una fiamma diffusiva necessito di uno swirler che mi allarga la fiamma ma me la accorcia nettamente.

ZONA PRIMARIA

Per ottenere la stabilità di fiamma i nuovi modelli di combustori sono progettati in modo da avere una velocità di fiamma non superiore ai 30 m/s, hanno un layout compatto con rapporto lunghezza/larghezza (altezza) sempre decrescente (non è la lunghezza a diminuire ma è il casing a allontanarsi dalla linea d'asse aumentando l'altezza). La miscela è circa stechiometrica.

SWIRLER

Gli swirler sono un componente statico all'ingresso della zona primaria dove al flusso viene aumentata la turbolenza. Grazie alla maggiore turbolenza ottengo una

fiamma sempre diffusiva(se non premiscelata) ma più breve poiché aumento i coefficienti di scambio termico e favorisco la miscelazione del fuel con l'aria. Lo swirler crea una zona di ricircolazione dove la fiamma si stabilizza. La zona di ricircolazione serve a trattenere una porzione dei prodotti caldi della combustione per mescolarli con l'arrivo di nuova aria e fuel. Non sono necessari dei fori di diluzione in questo momento poiché solo lo swirler basta a rendere stabile la fiamma. La zona primaria è quindi una regione del combustore ad alta turbolenza e temperatura. Lo swirler è inoltre coadiuvato dai fori di diluizione che immettendo del flusso fresco da fori opposti aiutano la ricircolazione. RIPARTIZIONE DEL FLUSSO Flusso primario 18% secondario 82% Se lo swirler permette da solo di avere una fiamma stabile non ho fori di diluizione precedenti la zona primaria. Del flusso secondario, solo il 10% entra durante la zona primaria, la restante

Parte entra nella zona di diluizione. La prima zona occupa circa il 28% della camera di combustione mentre quella di diluizione il 72%.

STABILITÀ DELLA FIAMMA

Limiti di infiammabilità: affinché la fiamma possa sussistere è necessario avere un φ (rapporto di equivalenza) compreso fra 0.3 e 3 (limiti di magrezza e di ricchezza), un aumento della pressione e della temperatura iniziali comporta un aumento del campo di infiammabilità. Non è detto però che se sto nel campo di infiammabilità allora è sicuro che abbia la fiamma, una fiamma eccessivamente ricca o eccessivamente magra è generalmente instabile. La stabilità della combustione si ottiene aumentando il tempo di residenza della fiamma nella camera di combustione e ricircolando i gas caldi sulla miscela fresca per sostenere la reazione. Per le fiamme premiscelate occorre garantire l'equilibrio fra la velocità della miscela fresca e la velocità

di fiamma. Le fiamme diffusive (nonpremiscelate) hanno migliori doti di stabilità rispetto alle premiscelate. Infatti, nei combustorimoderni a basse emissioni uno dei principali problemi è la stabilità della fiamma, essendo questipremiscelati con un rapporto di equivalenza quasi ai limiti di infiammabilità.

Il campo di stabilità della fiamma dipendeprincipalmente da due fattori: la portata d’aria e ilFAR (fuel air ratio). Per una fiamma magra (ovverocon un FAR basso, molta più aria del fuel)all’aumentare della portata d’aria aumentano i limitidi stabilità. Non posso spingermi però oltredeterminati valori di portata d’aria o a FAR troppobassi (fiamma oltremisura magra). Andando versofiamme ricche il campo di stabilità si restringe, laportata d’aria deve per forza diminuire, fiammetroppo ricche non sono stabili.

Flashback = la fiamma torna indietro se ho troppa poca portata d’aria, la

reazione non trova altra aria in arrivo e la trova alle sue spalle, il cosiddetto ritorno di fiamma, succede anche con le bombolette spray. Blow-out = raggiungo i limiti di magrezza e la fiamma si spegne indipendentemente dalla portata d'aria, se il FAR scende oltre un determinato valore, la fiamma si spegne. Stabilità della fiamma: - alta concentrazione dei fluidi - velocità della fiamma ridotta - maggior tempo di residenza - ricircolo per sostenere la reazione Un aspetto fondamentale della fisica dei combustori è la stabilità, che si divide in stabilità statica ed dinamica. La stabilità statica comprende la stabilizzazione della fiamma, il ritorno di fiamma e i fenomeni di blowout. Inoltre, il blowout e l'accensione sono collegati perché quando si verifica il blowout è necessaria la riaccensione. La stabilità statica si riferisce alla capacità di