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Sviluppo di strumentazione e metodi per la diagnostica di sistemi operanti in ossicombustione

Informazioni tesi

  Autore: Giorgio Grazzini
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2010-11
  Università: Università degli Studi di Pisa
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria energetica e nucleare
  Relatore: Leonardo Tognotti
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 146

Il seguente lavoro di tesi, sviluppato all'interno dell'International Flame Research Foundation presso ENEL Ricerca (Livorno) in collaborazione con ENEA (Casaccia, Roma) e l’Università degli studi di Pisa, si è occupato di sviluppare metodi diagnostici innovativi in sistemi di combustione near zero emission quali Oxy-Fuel Combustion e Flameless ottenuti con diluizione della miscela ad opera di ossigeno puro. Sono stati svolti studi termo-fluidodinamici su fiamme di taglia elevata ottenute in impianti di tipo semi-industriale quali Fo.Sper (Fornace Sperimentale, 5 MW) e precombustore (30 kW ) dell’Isothermal Plug Flow Reactor , un impianto di tipo “Plug Flow”. Per l’attendibilità e la validazione di tali metodi diagnostici innovativi è stato necessario studiare l’osservabilità delle dinamiche di processo e loro caratteristiche, le transizioni tra diversi regimi di combustione (convenzionale ad aria, ossicombustione) e la capacità di fornire indicazioni sulle iterazioni tra chimica e turbolenza nel processo. Lo studio si è valso di una tecnica di misura ottica non invasiva ODC (Optical Diagnostic of Combustion) per mezzo di sonde ottiche in zaffiro monocristallino direttamente inserite in ambiente di processo e di un fotorilevatore in grado di campionare scale in frequenza dell’ordine delle scale chimiche con risposta in real-time basate sul processo chemiluminescente delle fiamme. I dati grezzi ottenuti grazie alla campionatura per mezzo delle sonde, sono stati rielaborati all’interno dell’ambiente di calcolo numerico Matlab ottenendo così, per ogni intervallo preso in esame, i rispettivi spettri in frequenza con le loro frequenze tipiche in grado di evidenziare comportamenti precursori ad eventuali blow-out o blow-off successivi. Di fondamentale interesse anche la pendenza degli spettri che in regime convenzionale è risultata simile a quella dello spettro dell’energia cinetica turbolenta di Kolmogorov, indicando così un regime di combustione controllato dalla turbolenza (chimica infinitamente veloce). In regime di ossicombustione sono state notate differenza tra gli spettri che indicano un accoppiamento diverso tra cinetica e turbolenza. All’interno del precombustore si è avuta assenza di dinamica turbolenta, le reazioni di combustione erano controllate dalla cinetica chimica, ciò ha lasciato pensare ad una combustione volumetrica (Flameless). In conclusione il sistema diagnostico è stato in grado di monitorare l’esistenza di diversi regimi di combustione e di cogliere, anche dal punto di vista semi-quantitativo, importanti caratteristiche del campo emissivo legato al campo di moto/temperatura in fiamme di taglia elevata (5MW) evidenziando l’esistenza di frequenze tipiche per ogni sistema, condizioni operative, apparecchiature sperimentali.

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Introduzione _____________________________________________________________________________________________________________ VII INTRODUZIONE Attualmente ridurre drasticamente la dipendenza da fonti fossili appare estremamente difficoltoso sull’attuale scenario economico politico, in quanto in tutto il mondo industrializzato esse rapprendano la base della disponibilità di energia, anche nei Paesi dotati di un vasto parco nucleare. I combustibili di origine fossile ricoprono, al giorno d’oggi, la maggior parte della richiesta di produzione di energia elettrica e termica. L’attuale contesto ambientale ed economico del pianeta richiede però la riduzione del loro consumo e la necessità di reperire fonti di energia alternative poiché la produzione di energia da combustibili fossili porta ad emissioni di gas serra. Gli studi effettuati negli ultimi anni sui cambiamenti climatici hanno posto al centro dell’attenzione generale la questione del global warming. La comunità scientifica è concorde nell’attribuire il progressivo aumento della temperatura media globale al sempre maggior apporto della concentrazione di CO 2 in atmosfera in gran parte dovuto all’utilizzo dei combustibili. Riguardo la possibilità di ottenere energia da fonti energetiche rinnovabili a bassa emissione di agenti inquinanti, le biomasse presentano caratteristiche migliori da un punto di vista ambientale rispetto al carbone: sono una fonte energetica rinnovabile prive di problematiche riguardo l’aleatorietà e la cui combustione è neutrale nei confronti del bilancio di CO 2 presente nell’atmosfera e portano a minori emissioni di SO 2 e NO x , ma peggiori dal punto di vista delle efficienze di combustione; hanno un basso potere calorifico ed un alto tenore d’umidità e volatili. Tuttavia, allo stato attuale, diversi studi ipotizzano che tale fonte, qualora venisse sfruttata su larga scala con vasta diffusione di colture energetiche, non potrebbe comunque essere considerata come pienamente sostitutiva dei combustibili fossili, a causa dei relativamente bassi rendimenti globali e delle grandi superfici coltivabili richieste. Poiché allo stato attuale le forme di energia alternative non sono ancora in grado si sopperire alla sempre più crescente domanda energetica, è ipotizzabile che i combustibili fossili resteranno la principale fonte di approvvigionamento ancora per molti decenni, richiedendo una sempre maggiore compatibilità con le esigenze ambientali, principalmente basate sulla continua riduzione delle emissioni inquinanti e sulla drastica riduzione delle emissioni di CO 2 . La possibilità per fare ciò possono essere:

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luminescenza
analisi in frequenza
ossicombustione
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kolmogorov
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chemiluminescenza
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