2. Casi studio

2. Casi studio

Nel presente capitolo sono descritto i 2 casi studio (di letteratura) analizzati nel presente lavoro di Tesi di Laurea.

Questi sono stati scelti sia per la disponibilità di misure sperimentali e perché realizzano la combustione senza fiamma con modalità diverse.

2.1 Jet in a Hot Coflow (JHC)

Il JHC è un bruciatore in scala di laboratorio, progettato per emulare le condizioni tipiche del regime senza fiamma. Tale bruciatore si trova nel Combustion Research Facility presso il Sandia National Laboratories, Livemore, California ed è stato sviluppato e caratterizzato sperimentalmente da Dally et al. [26].

La Figura 2.1 mostra una sezione del bruciatore in questione.

Figura 2.1 :Sezione del bruciatore JHC [4].

Come evidente dalla figura, il JHC è composto da un getto centrale di combustibile (i.d.=4,25mm) isolato termicamente e raffreddato, e da un tubo coassiale (i.d.=82mm) equipaggiato con un secondo bruciatore montato a monte del piano d’uscita. Questo secondo bruciatore fornisce i prodotti di combustione caldi, che vengono mescolati all’aria e all’azoto

attraverso due ingressi laterali sul fondo del tubo coassiale per controllare il livello di ossigeno nella miscela.

La miscela fredda di aria e azoto contribuisce inoltre al raffreddamento del bruciatore secondario.

Il bruciatore può operare con un ampio intervallo di temperature e livello di ossigeno nel coflow.

Il tubo esterno è isolato termicamente utilizzando cinture ceramiche, in modo da minimizzare le perdite di calore verso l’esterno.

Il bruciatore è montato in un wind tunnel che fornisce aria a temperatura ambiente alla stessa velocità del coflow.

Durante i test sperimentali sono state effettuate misure di temperatura e di concentrazione di diverse specie chimiche (CH4, H2, H2O, CO2, O2, N2, CO, OH e NO) utilizzando la

single-point Raman-Rayleigh-laser-induced fluorescence. Tali misure sono tipicamente ottenute a 4 distanze assiali dall’ugello (4, 30, 60 e 120 mm).

Per tutti i test il numero di Reynolds è pari a 10000.

Come combustibile in tutti i test è stata utilizzata una miscela di idrogeno e metano (anche nel bruciatore secondario). Per quanto riguarda il coflow, sono stati effettuati test sperimentali con tre diversi livelli di ossigeno, rispettivamente 3, 6 e 9% in massa. Nel presente lavoro è stato preso in considerazione solo l’ultimo dei tre casi.

Le condizioni operative di tutte le correnti presenti sono riassunte nella tabella 2.1.

Tabella 2.1: Condizioni operative JHC [26].

Fuel jet Coflow Tunnel

Tempertura [K] 305 1300 294

Velocità in ingresso [m/s] 58,74 3,2 3,2 Composizione [frazioni massiche] 0,88 CH4

0,11 H2 0,09 O2 0,065 H2O 0,055 CO2 0,79 N2 0,232 O2 0.768 N2

Lo stesso bruciatore è stato oggetto di campagne successive, non contemplate nel presente lavoro, tra cui quella riportata da Medwell et al. [14] nella quale è stato testato l’etilene come combustibile.

Inoltre tale bruciatore è stato oggetto di diverse modellazioni numeriche, riportate in [4,14,16,36,37].

2.2 Fornace da 5,4 kW

Il dispositivo sperimentale è costituito da una camera di combustione a forma di parallelepipedo rettangolare, sul cui fondo si trovano sia il bruciatore che l’uscita dei gas esausti, cosi come mostrato in Figura 2.2, ed è stato caratterizzato sperimentalmente e numericamente da Özdemir e Peters [24], Coelho e Peters [21] e Dally et al. [12].

La camera di combustione ha una sezione di 250x250 mm2, ed un’altezza di 485 mm. Il bruciatore è costituito da un ugello centrale per l’ingresso del combustibile (i.d.=4,7mm); tale ugello è parte di un tronco di cono elevato di 25 mm rispetto al piano che contiene i sei ugelli per l’ingresso dell’aria, ognuno dei quali ha un diametro pari a 5 mm. A loro volta gli ugelli per l’ingresso dell’aria sono posti 16 mm più in alto rispetto all’uscita dei gas esausti, che avviene attraverso un anello largo 15,5 mm e con diametro interno pari a 93 mm.

La parte frontale del bruciatore è costituita da materiale ceramico resistente al calore, mentre la camera di combustione è isolata internamente con uno strato di 50 mm di materiale refrattario.

La camera di combustione è accessibile per le misure da tre lati con cinque finestre per lato, ciascuna di sezione 100x85 mm2, collocate a 12,5, 112,5, 212,5, 312,5 e 412,5 mm dall’ugello centrale.

Ulteriori dettagli circa tale bruciatore sono riportati nella Figura 2.3 .

Figura 2.3: Schematizzazione fornace da 5,4 kW [21].

I test speriementali sono stati condotti utilizzando metano come combustibile, e facendo variare il rapporto di equivalenza φ tra 0,8 e 1,2. Nel presente lavoro, però, è stato preso in considerazione soltanto il caso con φ=1.

Durante i test sperimentali sono state effettuate misure di temperatura in differenti punto lungo l’asse della camera di combustione, e misure di velocità in corrispondenza delle cinque finestre precedentemente elencate.

Le condizioni operative del bruciatore sono riportate nella tabella 2.2.

Tabella 2.2 :condizioni operative fornace da 5,4 kW [21,24,12].

Combustibile Aria Portata massica [kg/h] 0,38 6,5 Temperatura [K] 650 1150 Composizione [frazioni massiche] 1 CH4 0,232 O2 0,768 N2