Co C on nc c lu l us si i on o ni i

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Co C on nc c lu l us si i on o ni i

Il presente lavoro di Tesi di Laurea Specialistica ha riguardato la modellazione CFD di un combustore del turbogas GE MS5001 progettato per la combustione del metano ma alimentato ad idrogeno.

La simulazione numerica del combustore è stata realizzata in una prima fase, tramite il codice di calcolo commerciale CFX-5.7 reso disponibile dal Dipartimento di Ingegneria Chimica, Chimica Industriale e Scienza dei Materiali dell’Università di Pisa.

Per valutare le prestazioni del codice di calcolo nella modellazione di problemi di combustione ed accertare l’influenza dei parametri gestibili sulle soluzioni, è stata effettuata nella fase preliminare una procedura di validazione del codice stesso attraverso il confronto con i dati sperimentali forniti sia dalle prove eseguite a freddo che dalle prove a caldo, di una passata campagna sperimentale di cui è stato oggetto il combustore.

Il confronto è stato ripetuto con i risultati ottenuti dall’analisi numerica effettuata in passato sullo stesso combustore da Enel, con il codice di calcolo FLUENT 6.2.

Prima di effettuare le simulazioni a caldo è stata eseguita la simulazione su combustore spento a pressione atmosferica per tarare i parametri del modello poroso, modello utilizzato per la simulazione delle “unghiature” presenti sul cono del cappello e sulla camicia del tubo di fiamma del combustore studiato.

I risultati ottenuti in termini di distribuzione dei flussi d’aria e campo di velocità hanno mostrato un buon accordo con i dati sperimentali e quelli determinati da Enel.

Le simulazioni con combustore acceso operante a pressione nominale sono state eseguite con gli stessi parametri e gli stessi modelli di turbolenza, porosità, e spettrale adottati da Enel.

Il modello di radiazione scelto è il Discrete Transfer Radiation Model implementato nel codice di calcolo CFX-5.7 con discretizzazione non troppo fine per non aggravare lo sforzo computazionale, invece del modello Discrete Ordinates utilizzato da Enel.

Una diversa scelta è caduta inoltre sulla modellazione della combustione, impiegando non

solo il modello combinato Eddy Dissipation/Finite Rate Chemistry con meccanismo

cinetico one-step per la combustione dell’idrogeno ma anche il modello Laminar Flamelet

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98 con PDF per un’analisi più approfondita, avendo come tipo di alimentazione combustibile puro ed ossidante puro.

Stavolta la bontà delle simulazioni numeriche è stata valutata tramite campi di temperatura, di concentrazione delle specie chimiche, e in termini di emissioni inquinanti.

Il primo modello utilizzato con cinetica semplificata dell’idrogeno one-step ha portato ad una differenza sul valore predetto degli ossidi di azoto del 75%. La discrepanza si è ridotta rispetto alla simulazione effettuata da Enel con stesso modello di combustione e stessa cinetica, ma al contrario del codice FLUENT 6.2, il codice di calcolo CFX-5.7 ha portato ad una sottostima del valore predetto.

Il modello Laminar Flamelet basato sull’ipotesi di fast chemistry, che considera con la sua libreria anche le specie radicaliche, importanti per il meccanismo di formazione degli ossidi di azoto seguito dal codice, ha procurato sempre una sottostima rispetto al dato sperimentale ma la differenza si è ridotta al 55%.

E’stato allora pensato di ricorrere all’utilizzo di una cinetica chimica più dettagliata per la combustione dell’idrogeno, secondo suggerimenti riportati in letteratura, al fine di ridurre questa discrepanza.

In una seconda fase è stata allora effettuata l’analisi numerica con i parametri e i modelli di turbolenza, porosità, spettrale che hanno caratterizzato le simulazioni eseguite con il codice CFX-5.7, ma con un altro codice di calcolo, FLUENT 6.2, ampiamente diffuso nell’industria e nella ricerca e reso disponibile da Enel Area Tecnica Ricerca di Pisa.

E’ cambiato l’approccio per quanto riguarda la modellazione del flusso di calore radiante in quanto è stato utilizzato il modello di radiazione DO (Discrete Ordinates), non implementato nel codice CFX-5.7.

In questa fase di lavoro è stata introdotta una cinetica più complessa pensando che minime variazioni del campo termico e delle concentrazioni delle specie radicaliche possono portare a grandi variazioni degli ossidi di azoto.

Diventa di fondamentale importanza avere un campo termico il più possibile preciso che si riesce ad avere solo con una cinetica chimica dettagliata, e pure una concentrazione delle specie radicaliche per ogni cella precisa ottenibile con una cinetica che coinvolga le specie radicaliche.

E’stata eseguita una simulazione con un meccanismo cinetico a trentasette reazioni

reversibili, comprendente radicali e reazioni di formazione degli ossidi di azoto,

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99 disponibile in formato Chemkin su Database di FLUENT 6.2, utilizzando come modello di combustione il Non-premixed combustion - Laminar Flamelet. Nonostante la cinetica comprendesse già reazioni di formazione degli ossidi di azoto è stato utilizzato il modello Thermal- NO (che segue il meccanismo proposto da Zeldovich) per considerare la slow

chemistry di questi inquinanti, e la PDF per trattare l’interazione chimica-turbolenza (già adottata per l’analisi con il codice CFX-5.7).

La validazione dei risultati è avvenuta sempre tramite i campi di temperatura, di concentrazione delle specie chimiche coinvolte nel meccanismo e l’emissione delle specie chimiche principali.

L’analisi numerica ha portato ad un diverso valore degli ossidi di azoto, con una sovrastima del 33% rispetto al dato sperimentale.

I codici di calcolo utilizzati nel presente lavoro di Tesi per la modellazione del combustore hanno consentito di ottenere risultati in tempi molto minori e con costi ridotti rispetto alla classica pratica sperimentale, ma si basano su modellazioni e rappresentazioni semplificate delle realtà fisiche. I dati forniti dalla campagna sperimentale hanno permesso così di accertare l’accuratezza dei modelli utilizzati, e verificare infine la validità dei risultati ottenuti.

La scarsa capacità predittiva nei confronti degli ossidi di azoto dovrà porre l’attenzione non solo sui modelli e sui metodi di calcolo dei comuni codici CFD, ma anche sull’utilizzo di una cinetica dettagliata riferita a condizioni particolari, proprie di un combustore turbogas (vedi pressione operativa, etc.). La scelta potrà cadere su una delle diverse cinetiche multi-step riportate in letteratura, ricavate insieme a misure termodinamiche, con validazione sperimentale per ampi range di pressione, temperatura e rapporto di equivalenza.

Di fondamentale importanza sarà inoltre la scelta del modello di combustione, influenzata dal comportamento del sistema (predominanza del miscelamento turbolento o della cinetica di reazione).

Questo è uno studio di tipo preliminare ma di grande supporto, in quanto potrà suggerire,

con l’implementazione di opportuni modelli ed una loro successiva taratura, modifiche

geometriche e/o di utilizzo di queste macchine al fine di ottimizzarne la performance nella

combustione dell’idrogeno.