Capitolo 5
Risultati delle simulazioni delle prove di Ijmuiden
5.1. Introduzione
Il modello preso a riferimento è il case no°1 di Tabella 4.12 (vedi par. 4.4): modello di turbolenza k- SST, modello di devolatilizzazione CPD, modello di radiazione DO e modello spettrale WSGGM. In seguito sono riportati i profili di velocità, temperatura e concentrazione delle specie all’interno della fornace e nella regione del quarl1; l’indicazione relativa nella legenda è ‘case 1’. Saranno effettuati confronti con misure sperimentali e con i risultati delle simulazioni condotte da Peters e Weber (1997)2 con codice Fluent.
5.2. Campo di moto
Nelle Figura 5.1 e Figura 5.2 sono mostrati rispettivamente il campo di velocità del fluido e la zona interna di ricircolo (IRZ).
Figura 5.1 - Campo di velocità del fluido. Case 1 (Tabella 4.12).
1
Le porte di misura sono 7: la prima è posta all’interno del quarl a 134 mm dalla sezione di uscita dell’iniettore, le altre 6 sono ad una distanza rispettivamente di 0 m, 0.25 m, 0.50 m, 0.85 m, 1.25 m, 1.95 m, dal quarl outlet
Figura 5.2 - Zona di ricircolo interna (IRZ). Case 1 (Tabella 4.12).
Nelle Figure 5.3 e 5.4 sono riportati, rispettivamente, i profili radiali delle velocità assiali e tangenziali del fluido a diverse distanze dal quarl outlet lungo l’asse x. Tale distanza è indicata con AD (axial distance); AD = 0 m corrisponde all’inizio della fornace. Nella legenda: ‘Exp’ è riferito alle misure sperimentali, ‘Weber’ ai risultati delle simulazioni di Peters e Weber (1997).
Entrambe le simulazioni sono state condotte con codice Fluent con un modello 2D assial-simmetrico; nel presente lavoro è stato adottato il modello di turbolenza k-SST, mentre Peters e Weber (1997) avevano utilizzato il modello k- standard. Altre differenze sono legate al modello di radiazione (DO nel presente lavoro, DTRM in Peters e Weber, 1997) e al modello di devolatilizzazione (CPD nel presente lavoro, modello a 2-steps in Peters e Weber, 1997). A tali differenze sono attribuibili i diversi risultati ottenuti. In particolare, dai grafici relativi ai profili di velocità assiale, si nota la predizione di un più intenso ricircolo nel presente modello rispetto a quello di Peters e Weber.
Complessivamente, dai grafici si evince che i profili di velocità sono in buon accordo con le misure sperimentali per entrambi i modelli, ma sono sovrastimati i valori di picco (in particolare per le velocità assiali) con un ordine di grandezza anche superiore al 40%, sopratutto nella regione in prossimità del quarl. Quest’ultimo aspetto può in parte essere attribuito anche alla difficoltà di rilevare nelle misure sperimentali i valori di massimo, nel caso di elevati gradienti di velocità.
Figura 5.3 – Profili radiali della velocità assiale a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni di Peters e Weber (1997) e del presente lavoro (case 1 di Tabella 4.12).
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A D [m] A D = 0 A D = 0. 25 A D = 0 .5 A D = 0. 8 5 V e lo c ità as si a le [m /s ] -1 .2 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 -1 .2 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 -1 .2 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 -1 .2 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0Figura 5.4 - Profili radiali della velocità tangenziale a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni di Peters e Weber (1997) e del presente lavoro (case 1 di Tabella 4.12).
A D [m] A D = 0 A D = 0. 25 A D = 0 .5 A D = 0. 8 5
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V e lo c ità tan g e n z ial e [ m/ s] -1 .2 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 -5 5 1 5 2 5 -1 .2 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 -5 5 1 5 2 5 -1 .2 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 -5 5 1 5 2 5 -1 .2 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 -5 5 1 5 2 55.3. Campo di temperatura
Nella Figura 5.5 è riportata la distribuzione di temperatura all’interno della fornace, mentre in Figura 5.6 sono riportati i profili radiali di temperatura predetti a diverse distanze assiali, confrontandoli con i dati sperimentali (legenda ’Exp’) e con i profili ottenuti dalle simulazioni di Peters e Weber, 1997 (legenda ‘Weber’).
Figura 5.5 - Campo di temperatura (case 1 di Tabella 4.12).
I grafici di Figura 5.6 evidenziano una maggiore accuratezza nella previsione del campo di temperatura del presente modello rispetto a quello utilizzato da Peters e Weber (1997).
Tali differenze sono attribuibili come menzionato in precedenza, al diverso modello di turbolenza, ma anche al differenze nel modello di devolatilizzazione e di radiazione (nel presente caso DO model mentre DTRM in Peters e Weber, 1997)
Nel modello DTRM (in Fluent) l’emissività delle particelle è trascurata, quindi non è considerato il termine di scambio radiativo nell’equazione di bilancio termico della fase discreta. In tal modo sono ottenuti valori più alti di temperatura all’interno della fornace. Per tener conto di tale approssimazione Peters e Weber (1997) hanno considerato un alto coefficiente di assorbimento/emissività del gas, posto costante e pari a a = 1.5.
Nel presente modello si è considerato il contributo di scambio radiativo nell’equazione di bilancio termico della fase discreta, con un valore di emissività delle particelle pari a 0.9, mentre a è valutato con il modello WSGGM sulla base delle pressioni parziali di vapor
Figura 5.6 - Profili radiali di temperatura a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni di Peters e Weber (1997) e del presente lavoro (case 1 di Tabella 4.12).
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A D [m] A D = 0 A D = 0 .25 A D = 0 .5 A D = 0. 85 Te mp er atu r a [ K ] -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 05.4. Campo di concentrazione delle specie chimiche
Nel presente paragrafo vengono riportate le mappe dei campi di concentrazione delle specie chimiche ed i relativi profili radiali a diverse distanze assiali.
5.4.1. CO
2In Figura 5.7 è riportata la mappa del campo di concentrazione della CO2, mentre in
Figura 5.8 i profili per AD = 0 m, AD = 0.25 m, AD = 0.5 m, AD = 0.85 m.
Figura 5.7 – Concentrazione della specie CO2 espressa come frazione molare (case 1 di Tabella 4.12).
Alla distanza AD = 0 m entrambi i modelli sovrastimano i valori di concentrazione rispetto alle misure sperimentali. A distanze maggiori il nostro modello sovrastima le concentrazioni nella regione intorno all’asse mentre sottostima le stesse a distanze radiali maggiori.
Figura 5.8 – Profili radiali di concentrazione della specie CO2 a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni di Peters e Weber (1997) e del presente lavoro (case 1 di Tabella 4.12).
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2 A D [m] A D = 0 A D = 0 .25 A D = 0. 5 A D = 0. 85 C O2 [ % vol ] -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 25.4.2. O
2In Figura 5.9 è riportata la mappa del campo di concentrazione di O2;in Figura 5.10 i
profili radiali nelle porte di misura.
Figura 5.9 – Concentrazione della specie O2 espressa come frazione molare (case 1 di Tabella 4.12)
Alla distanza AD = 0 m, i modelli sono in disaccordo tra loro a piccole distanze radiali cioè vicino all’asse, mentre tendono a coincidere a distanze radiali intorno a Y = 0.2 m . Entrambe le misure sono in disaccordo con i dati sperimentali. A distanze maggiori entrambi i modelli seguono il profilo delle misure sperimentali, ma presentano zone in cui sottostimano i valori di concentrazione (nell’intorno dell’asse di simmetria) e zone in cui li sovrastimano (nell’intorno della distanza radiale Y = 0.2 m). A distanze radiali maggiori tale disaccordo tende a diminuire.
Da notare infine, che, come accennato in precedenza, le predizioni del modello del presente lavoro indicano un più intenso ricircolo di gas combusti nella regione del quarl outlet: ciò è evidenziato anche dai profili radiali di concentrazione delle specie ad AD = 0 m, dove è rilevata una concentrazione piuttosto alta (rispetto ai valori misurati) della CO2, e una
concentrazione di O2 pari quasi a zero.
Figura 5.10 – Profili radiali di concentrazione della specie O2 a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni di Peters e Weber (1997) e del presente lavoro (case 1 di Tabella 4.12).
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2 A D [m] A D = 0 A D = 0. 25 A D = 0. 5 A D = 0. 85 O2 [ % vol ] -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 05.4.3. CO
In Figura 5.11 è riportata la mappa del campo di concentrazione di CO, mentre in
Figura 5.12 i profili radiali nelle porte di misura.
Figura 5.11 – Concentrazione della specie CO espressa come frazione molare (case 1 di Tabella 4.12)
Alla distanza AD = 0 m il modello del presente lavoro sottostima notevolmente la concentrazione della CO, mentre a distanze assiali maggiori i profili si avvicinano maggiormente alle misure sperimentali. In Peters e Weber vi è, invece, una costante sovrastima della CO vicino all’asse nelle quattro porte di misura.
Figura 5.12 – Profili radiali di concentrazione della specie CO a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni di Peters e Weber (1997) e del presente lavoro (case 1 di Tabella 4.12).
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A D [m] A D = 0 A D = 0 .25 A D = 0. 5 A D = 0. 85 C O [ p p m ] -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 0 05.4.4. NO
In Figura 5.13 è riportata la mappa del campo di concentrazione di NO, mentre in
Figura 5.14 i profili radiali nelle porte di misura.
Figura 5.13 – Concentrazione della specie NO espressa come frazione molare (case 1 di Tabella 4.12)
I profili ottenuti dalle simulazioni sono in sufficiente accordo con i dati sperimentali ma presentano zone in cui sottostimano i valori di concentrazione (nell’intorno della distanza radiale Y = 0.2 m) e zone in cui li sovrastimano (nell’intorno dell’asse di simmetria e per distanze radiali maggiori a Y = 0.4 m). Questa discordanza con i dati sperimentali è attribuibile al fatto che gli schemi di reazione e le cinetiche di formazione degli NO sono molto complesse, mentre nel modello utilizzato sono stati usati schemi molto semplificati, soprattutto per quanto riguarda la formazione degli NO secondo il meccanismo fuel.
Figura 5.14 – Profili radiali di concentrazione della specie NO a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni di Peters e Weber (1997) e del presente lavoro (case 1 di Tabella 4.12).
A D [m] A D = 0 A D = 0 .2 5 A D = 0 .5 A D = 0. 85 N O x [ p p m ] -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0
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5.5. Campo di temperatura e concentrazione delle specie
chimiche all’interno del quarl (AD = -0.1 m) e alle porte AD = 1.25
m e AD = 1.95 m
In questo paragrafo sono riportati i profili di temperatura e concentrazione delle specie all’interno del quarl (AD = -0.1 m) e alle porte poste a distanza assiale AD = 1.25 m e AD =
1.95 m, rispettivamente nelle Figure 5.15, 5.16 e 5.17.
All’interno del quarl si riscontra una elevata accuratezza nella predizione dei profili di temperatura, mentre per quanto riguarda la concentrazione delle specie si ha un sostanziale disaccordo tra i profili simulati e dati sperimentali. Ciò può essere attribuito al fatto che in tale zona ha inizio il processo di devolatilizzazione e la combustione delle particelle, e si determina quindi una condizione di processo estremamente complessa e difficile da modellare. I grafici relativi ai profili di CO2 e O2 confermano un più intenso ricircolo di gas combusti nella
regione interna al quarl rispetto a quello rilevato dalle misure sperimentali: anche in questa zona, come nella porta ad AD = 0 m, le simulazioni rilevano una concentrazione di ossigeno pari quasi a zero mentre sovrastimano la concentrazione di CO2.
Alle porte poste a più elevate distanze assiali (AD = 1.25 m e AD = 1.95 m), i profili di temperatura sono, seppur di poco, sottostimati; per quanto riguarda la concentrazione delle specie, un maggior accordo con i dati sperimentali è rilevato alla porta ad AD = 1.95 m, mentre alla porta posta ad AD = 1.25 m si rileva un disaccordo per distanze radiali superiori a
Figura 5.15 – Profili radiali di temperatura e concentrazione della specie all’interno del quarl (AD = -0.1 m). Confronto tra dati sperimentali e predizioni di Peters e Weber (1997) e del presente lavoro (case 1 di Tabella 4.12).
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-1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 3 0 0 0 0 6 0 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 Te mp e ratu r a [ K ] C O2 [ % vo l] C O [p p m ] O2 [% vol ] N O [p p m]Figura 5.16 – Profili radiali di temperatura e concentrazione della specie ad AD = 1.25 m. Confronto tra dati sperimentali e predizioni di Peters e Weber (1997) e del presente lavoro (case 1 di Tabella 4.12).
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Te mp er atu r a [ K ] C O2 [% v ol ] C O [p p m] O2 [% vo l] N O [p p m] -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 1 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0Figura 5.17 – Profili radiali di temperatura e concentrazione della specie ad AD = 1.95 m. Confronto tra dati sperimentali e predizioni di Peters e Weber (1997) e del presente lavoro (case 1 di Tabella 4.12).
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T e mp e r atu r a [K ] C O2 [% vo l] C O [p p m] O2 [% vo l] N O [p p m] -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 4 0 0 0 8 0 0 0 1 2 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 1 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 5 0 0 15.6. Char burnout
Nella Figura 5.18 vengono mostrate le traiettorie di un numero rappresentativo di particelle (50 tracce), colorate secondo la temperatura. Si nota come le particelle si scaldino all’interno del quarl fino a raggiungere una temperatura di circa 2040 K nella regione di fiamma; la temperatura in uscita delle ceneri residue è di circa 1400 K.
La figura mette in evidenza, inoltre, l’effetto dello swirl sulla traiettoria della particelle.
Figura 5.18 – Temperatura e traiettoria delle particelle di carbone (case 1 di Tabella 4.12).
Il processo di devolatilizzazione si completa all’interno del quarl, come si evince dalla Figura 5.19, nel momento in cui le particelle vengono scaldate ad una temperatura superiore ai 500 K.
Temperatura [K]
Figura 5.20 – Tasso di combustione del char (case 1 di Tabella 4.12).
5.7. Temperatura e composizione dei fumi
Nella Tabella 5.1 sono riassunti i valori medi di temperatura, char burnout e concentrazione di CO2 e O2 relativi alla sezione di uscita della fornace, ottenuti dalle misure
sperimentali e dal modello numerico. Si nota come, per le quattro grandezze caratteristiche prese in esame, vi sia una elevata accuratezza nella predizione del modello numerico.
Tabella 5.1 - Dati in uscita dalla fornace
Misura sperimentale Modello numerico
Temperatura [K] CO2 [%vol] O2 [%vol] Char burnout [%] 1353 15.6 3 99.4 1348 15.8 3 100 Burnout [kg/s]
5.8. Analisi di sensitività dei risultati al variare dei sub-models
In questo paragrafo vengono analizzati e confrontati i risultati ottenuti con diversi modelli di turbolenza, devolatilizzazione e radiazione.
5.8.1. Influenza del modello di turbolenza
Nelle figure seguenti sono riportati i profili di velocità assiale e tangenziale, temperatura e concentrazione di CO e CO2 ottenuti con tre modelli di turbolenza: k-SST, k-
standard e k- RNG. Le simulazioni sono state condotte con: modello di combustione EDM, modello di radiazione DTRM, modello di devolatilizzazione CPD, modello spettrale WSGGM.
Come si evince dai grafici non si riscontrano differenze sostanziali tra i tre modelli; in particolare, i risultati ottenuti con i modelli k- standard e k- SST sono del tutto simili e tendono a predire un maggior “allargamento” del flusso dovuto allo swirl rispetto al modello k- RNG.
Figura 5.21 – Profili radiali di velocità assiale a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -10 40 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -10 40 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -10 40 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -10 40 AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m Velocità [m/s]
Figura 5.22 – Profili radiali di velocità tangenziale a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e
predizioni con modello di turbolenza k- std (case 2 di Tabella 4.12), k- SST (case 3 di Tabella 4.12) e k- RNG
(case 4 di Tabella 4.12).
Figura 5.23 – Profili radiali di temperatura a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e
predizioni con modello di turbolenza k- std (case 2 di Tabella 4.12), k- SST (case 3 di Tabella 4.12) e k- RNG
). -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -5 5 15 25 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -5 5 15 25 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -5 5 15 25 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -5 5 15 25 AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m Temperatura [K] Velocità [m/s]
Figura 5.24 – Profili radiali di concentrazione di CO2 a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati
sperimentali e predizioni con modello di turbolenza k- std (case 2 di Tabella 4.12), k- SST (case 3 di Tabella 4.12)
e k- RNG (case 4 di Tabella 4.12). -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20
Figura 5.25 – Profili radiali di concentrazione di O a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali
AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m
AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m
CO2 [% vol]
Nelle figure seguenti sono riportati i profili di temperatura, concentrazione di CO2 e
char burnout ottenuti utilizzando due differenti modelli di devolatilizzazione, CPD e 2-steps. I dati ottenuti mettono in evidenza che il modello CPD predice con maggiore accuratezza i fenomeni connessi al processo di devolatilizzazione delle particelle. In particolare, per quanto riguarda il campo di temperatura (Figura 5.26), si può notare che il modello 2-steps ne sovrastima i valori nelle sezioni più prossime alla regione di fiamma, mentre a distanze assiali maggiori i due modelli forniscono risultati coincidenti. Per quanto riguarda, invece, il campo di concentrazione della specie CO2 (figura 5.27) e il char burnout (Figura 5.28), risulta
evidente che il modello 2-steps predice una più rapida devolatilizzazione del combustibile all’interno del quarl: il tasso di reazione della combustione eterogenea del char è maggiore nella sezione ad AD = 0 m, rispetto a quello calcolato con il modello CPD, e ciò determina valori di concentrazione di CO2 più elevati nelle porte di misura più lontane.
AD=0 AD=0.25 AD=0.5 AD=0.85
Temperatura [K]
Figura 5.26 – Profili radiali di temperatura a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e
predizioni con modello di devolatilizzazione CPD (case 1 di Tabella 4.12) emodello a 2-steps (case 5 di Tabella 4.12)
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m
Char burnout [kg/s] -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 CO2 [% vol]
Figura 5.27 – Profili radiali di concentrazione di CO2 a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati
sperimentali e predizioni con modello di devolatilizzazione CPD (case 1 di Tabella 4.12) e modello a 2-steps (case 5 di Tabella 4.12) AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m 0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 3.0E-05 6.0E-05 0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 3.0E-05 6.0E-05 0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 3.0E-05 6.0E-05 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 3.0E-05 6.0E-05
AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m
Nelle figure 5.29, 5.30 e 5.31 sono confrontati, rispettivamente, i profili di temperatura e concentrazione di CO2 e O2 ottenuti utilizzando due diversi modelli di
radiazione: DTRM e DO model. In entrambi i casi le simulazioni sono state condotte con: modello di combustione EDM, modello di turbolenza SST, modello di devolatilizzazione CPD e modello spettrale WSGGM.
I modelli di radiazione DTRM e DO sono basati entrambi sulla dipendenza angolare dell’intensità di radiazione emessa; nel caso specifico, la differenza sostanziale tra i due modelli è che per il DTRM il codice non permette di includere il termine di scambio radiativo nell’equazione di bilancio termico della fase discreta. Risulta evidente dai grafici, che tale approssimazione porta ad una sovrastima del campo di temperatura con valori anche superiori ai 100 K. Ciò a conferma del fatto che l’emissività delle particelle rappresenta un contributo di scambio termico rilevante in un processo di combustione di polverino di carbone.
Come si evince dai grafici dei profili di concentrazione di CO2 e O2, una sovrastima del campo
di temperatura influisce in maniera sostanziale anche sui fenomeni chimici connessi. In particolare, si può notare che alla distanza assiale AD = 0 m, i profili di temperatura e concentrazione delle specie sono pressoché coincidenti con entrambi i modelli di radiazione; mentre a distanze assiali maggiori, il modello DTRM sovrastima i profili di temperatura e di concentrazione di CO2, mentre sottostima i valori di concentrazione di ossigeno. Ciò può
essere spiegato considerando che valori di temperatura più alti nella regione di fiamma, accelerano il processo di devolatilizzazione delle particelle e la combustione del char nella regione in prossimità del bruciatore. Come si vede bene dal grafico di figura 5.32, infatti, il modello DTRM predice un burnout del combustibile più intenso nelle prime porte di misura e quindi un più elevato rilascio di prodotti di combustione (in particolare CO2) in tale regione, i
Temperatura [K] CO2 [% vol] -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20
Figura 5.29 – Profili radiali di temperatura a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni con modello di radiazione DO (case 1 di Tabella 4.12) e DTRM (case 3 di Tabella 4.12).
O2 [% vol] Char burnout [kg/s] -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 10 20 0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 8.0E-06 1.6E-05
0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 8.0E-06 1.6E-05
0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 8.0E-06 1.6E-05
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 8.0E-06 1.6E-05
Figura 5.32 – Profili radiali del tasso di combustione del char a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra predizioni con modello di radiazione DO (case 1 di Tabella 4.12) e DTRM (case 3 di Tabella 4.12).
AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m
Figura 5.31 – Profili radiali di concentrazione di O2 a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e
