Analisi preliminare della zona a ridosso del letto di biomassa

I forti getti d’aria in uscita dagli ugelli impattano nella parete verticale posta di fronte e, dopo una brusca deviazione, il flusso d’aria entra nella freeboard della caldaia.

Figura 6.25: Campo vettoriale delle velocità nel piano mediano colorati in base alla Velocity Magnitude misurata in [m/s]

Dalla rappresentazione delle pathlines (Figura 6.26) delle particelle d’aria comburente immesse dai bocchelli d’aria primaria, secondaria e di post-combustione risulta più chiaro ciò che è stato descritto nella figura precedente. Le particelle d’aria di post-combustione, rappresentate dalle linee in blu scuro causa la loro bassa velocità, vengono trascinate dall’aria primaria e secondaria.

6.3. MODELLO DELLA CALDAIA COMPLETA

In Figura6.27è rappresentato il vector plot rappresentato sulla sezione OUTLET BED in cui risulta evidente come la sezione non ammetta una distribuzione di velocità unifor- me. La parte più vicina ai fori d’alimentazione ammette una componente y della velocità (direzione perpendicolare alla sezione) negativa. In questa zona è presente il fenomeno del backflow, ovvero di un ricircolo di fluido dall’ambiente esterno al dominio fluido della gri- glia. Solamente la parte finale della sezione risulta realmente sfruttata per l’ingresso delle specie chimiche all’interno della zona di scambio termico. Questo semplice modello ci per- mette spiegare la difficoltà dell’applicazione dei modelli studiati in letteratura al nostro sistema: in tutti i modelli si suppone che l’aria sia alimentata in maniera omogenea al di sotto della griglia con direzione prevalentemente perpendicolare ad essa. In questo sistema questa ipotesi crolla e l’analisi dettagliata dei gradini della griglia acquisisce un’importanza fondamentale sia per lo svolgimento delle reazioni di combustione sia per la fluidodinamica nella zona di scambio termico della caldaia.

Figura 6.27: Vettori velocità in [m/s] nella sezione OUTLET BED dei gradini della griglia, corrispondente alla sezione di INLET della freeboard

6.3. MODELLO DELLA CALDAIA COMPLETA

6.3.2 Fluidodinamica

Con l’accoppiamento delle due griglie di calcolo, la fluidodinamica all’interno della caldaia viene profondamente cambiata. Di conseguenza tutte le altre grandezze fisiche, come tem- peratura, tasso di reazione e distribuzione delle specie, variano in maniera significativa. Una differenza sostanziale sta nell’ipotesi di profili piatti distribuiti su tutta la sezione di ingresso. Per gran parte della sezione si verifica il fenomeno del backflow e solamente una piccola area dell’INLET è adibita all’ingresso delle specie in caldaia (Figura6.28).

Figura 6.28: Pathlines dell’aria in uscita dai bocchelli d’aria primaria e secondaria Di conseguenza i gas in ingresso alla freeboard hanno una velocità molto maggiore rispetto ai casi precedenti, creando un forte getto verticale in uscita dalla griglia che causa dei grandi vortici nella zona sopra la sezione di INLET e sopra gli scalini (Figura6.29) e degli intensi ricircoli di fluido vicino alle pareti laterali della caldaia (Figura6.30).

In realtà però la velocità del flusso di gas in ingresso non è così elevata: la biomassa che scorre sopra la griglia crea un ostacolo al flusso d’aria comburente, rallentandola e deviandone la direzione.

6.3. MODELLO DELLA CALDAIA COMPLETA

Figura 6.29: Vettori velocità nel piano mediano colorati in base al modulo della velocità in [m/s] nel caso di modello completo

Figura 6.30: Vettori velocità nel piano trasversale 2 colorati in base al modulo della velocità in [m/s] nel caso di modello completo

6.3. MODELLO DELLA CALDAIA COMPLETA

6.3.3 Turbolenza

Le alte velocità e i piccoli volumi in gioco causano intensi moti turbolenti al di sopra della griglia dove scorre la biomassa. E’ possibile osservare avere un’idea di ciò osservando i profili del rateo di dissipazione specifica ω in Figura6.31.

Figura 6.31: Profilo del rateo di dissipazione specifica ω nel piano mediano in [s−1_{] nel caso}

di modello completo

In questo modello, oltre nelle zone vicino ai tubi, le zone in cui si hanno forti dissipazioni di energia cinetica turbolenta si trovano al di sopra dei gradini della griglia, che causeranno a loro volta un elevato tasso di reazione. Si capisce dunque che l’ipotesi di una combustione collocata solamente nella freeboard risulta un’ipotesi poco realistica.

6.3. MODELLO DELLA CALDAIA COMPLETA

6.3.4 Temperatura

L’elevata turbolenza causa un tasso di reazione molto elevato nelle vicinanze della griglia dove scorre la biomassa tanto da raggiungere temperature di circa 2500 K. Nella realtà ciò non succede poiché le specie chimiche impiegano molto più tempo a diffondere e il tasso di reazione è molto meno spinto. Per tale motivo, i risultati a ridosso della zona prossima ai gradini della griglia risultano poco attendibili.

I profili di temperatura nelle Figure6.32 e 6.33evidenziano il forte legame tra campo di temperatura e campo fluidodinamico dei gas. Le reazioni chimiche, avvenute in gran parte nelle vicinanze della griglia, non hanno un ruolo decisivo nel campo di temperatura quanto il contributo avvettivo del flusso di gas caldi in ingresso alla freeboard.

Ciò è ulteriormente giustificato dalla rappresentazione in Figura 6.34 dalla superficie isoterma di 1200 K all’interno della caldaia. Si è scelto un valore più basso della superficie isoterma, rispetto al modello a rilascio omogeneo o a gradini, poiché la temperatura media dei gas all’interno della caldaia risulta più bassa. Infatti i gas, raggiungendo alte tempera- ture a ridosso dei gradini, aumentano decisamente la loro quota termica irraggiata verso le pareti, raffreddandosi più velocemente rispetto ai casi precedenti.

6.3. MODELLO DELLA CALDAIA COMPLETA

Figura 6.32: Campo di temperatura in [K] nel piano mediano nel caso di modello completo

6.3. MODELLO DELLA CALDAIA COMPLETA

6.3. MODELLO DELLA CALDAIA COMPLETA

6.3.5 Specie chimiche

Le stesse argomentazioni fatte per la temperatura valgono anche nel caso della distribuzione dell’ossigeno in caldaia. Si nota come i due grandi vortici che si formano tendano a miscelare e rendere abbastanza uniformi le concentrazioni dei gas all’interno della caldaia (Figure

6.35e 6.36) .

Figura 6.35: Frazioni volumetriche dell’ossigeno nel piano mediano nel caso di modello completo

6.3. MODELLO DELLA CALDAIA COMPLETA

6.3.6 Confronto con dati sperimentali con i valori ottenuti dalla CFD