Appunti completi del corso di Sistemi energetici

SISTEMI ENERGETICI L

LEZIONE 1 (COMBUSTIONE 1)

La combustione è l'ossidazione di un combustibile da parte di un ossidante, una reazione chimica estremamente veloce ed è estremamente esotermica, queste due caratteristiche comportano la generazione di una fiamma di volume relativamente ristretto.

I combustibili più utilizzati sono: idrocarburi (gassosi, liquidi e solidi).

L'ossidante di una reazione di combustione in genere è l'ossigeno e più generalmente l'aria.

Una reazione di combustione nei processi meccanici e industriali ha l'obiettivo di convertire l'energia chimica dei combustibili in calore che viene immagazzinato nei prodotti di reazione e sarà possibile estrarlo di questi.

Esempio: combustione del metano

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O    ΔH_{r 25°C} = -800.2    MJ/Kmol_CH4

Poiché la reazione ha un ΔH negativo significa che è una reazione esotermica.

Il calore prodotto dalla reazione aumenta la temperatura dei prodotti (H₂O e CO₂), poiché rimane intrappolato dentro di loro. Prodotti ad alta temperatura a questo punto possono essere utilizzati per i processi industriali, ad esempio:

• Possono essere usati direttamente per generare energia, ad esempio tramite l'espansione di un gas in una macchina volumetrica a combustione interna.
• Possono essere raffreddati per estrarre calore e trasformarlo in un secondo flusso di lavoro o ad un utilizzatore finale. (ES Cliclo Rankine)

NB: La combustione di un combustibile nella maggior parte dei casi avviene attraverso una serie di reazioni elementari che coinvolgono delle specie chimiche intermedie. Ad esempio nella combustione del metano.

CH₄ + OH → CH₃ + H₂O

CH₃ + O → CH₂O + H

CH₂O + H → HCO + H₂

HCO + O → CO + OH

CO + OH → CO₂ + H

- Prodotto finale

OH, OH, HCO, CH₃ sono radicali liberi e sono estremamente instabili, e non portano a reazioni chimiche estremamente veloci.

La combustione attraverso stadi di radicali liberi è molto più veloce della normale ossidazione di CH₄ con O₂.

SISTEMI ENERGETICI L

8/3/20

LEZIONE 1 (COMBUSTIONE 1)

COMBUSTIONE: La combustione è l'ossidazione di un combustibile da parte di un ossidante. Una reazione chimica estremamente veloce ed è estremamente esotermica, queste due caratteristiche comportano la generazione di una fiamma di volume relativamente ristretto.

I combustibili più utilizzati sono: idrocarburi (gassosi, liquidi e solidi). Idrogeno e Carbonio solido sono considerati combustibili tramite processi in laboratorio.

L'ossidante di una reazione di combustione in genere è l'ossigeno e è generalmente l'aria.

Una reazione di combustione nei processi meccanici e industriali ha l'obiettivo di convertire l'energia chimica del combustibile in calore che viene immagazzinato dai prodotti di reazione e sarà possibile estrarlo di questi.

ESMPIO: COMBUSTIONE DEL METANO

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O   Δh_r,298K = -800.2    MJ/Kmol_CH4

Poiché la reazione ha un ΔH negativo significa che è una reazione esotermica

Il calore prodotto dalla reazione aumenta la temperatura dei prodotti (H₂O e CO₂), poiché rimane intrappolato dentro di loro.

Prodotti ad alta temperatura a questo punto possono essere utilizzati per i processi industriali, ad esempio:

• Possono essere usati direttamente per generare energia, ad esempio tramite - espansione in turbina, nei materiali o motori a combustione interna
• Possono essere raffreddati per estrarre calore e trasferirlo in un secondo flusso di lavoro e/o un utilizzatore finale.

(Es ciclo Rankine)

NB: La combustione di un combustibile avviene in maggior parte dei casi avviene attraverso una serie di reazioni intermediarie che coinvolgono delle specie chimiche intermedie, ad esempio nella combustione del metano.

CH₄ + OH → CH₃ + H₂O

CH₃ + O → CH₂O + H

CH₂O + H → HCO + H₂

HCO + O → CO + OH

CO + OH → CO₂ + H

OH, O, H, HCO, CH₃ sono radicali liberi e sono estremamente instabili, hanno sostano a reazioni chimiche estremamente veloci.

La combustione attraversa stadi di radicali liberi e l'ultimo più veloce oltre la totale ossidazione di CH₄ con O₂.

Nei processi di combustione sono coinvolti una serie di altre fenomeni complessi che siinterfacciano tra di loro:

• Reazioni chimiche (come visto prima)
• Scambio termico (irraggiamento, conduzione e convezione)
• Fluidodinamica
• Scambio di massa

Come risultato si ottengono dei gradienti di temperatura nelle zone della combustione,oltre a gradienti di velocità e gradienti di composizione. È necessario l'utilizzo di

Per lo studio di questi fenomeni sono necessa