3
La Sperimentazione
Nella prima fase del presente lavoro di tesi è stata realizzata una campagna sperimentale presso i laboratori Enel-Ricerca di Livorno, su un bruciatore operante in modalità di combustione flameless, in grado di alimentare un ciclo Stirling, inserito in un sistema per la cogenerazione di potenza elettrica e termica (microcogenerazione, CHP).
Tale sistema, utilizzato dalla SOLO®, è progettato per essere alimentato con gas naturale.
Durante la campagna sperimentale è stata variata la tipologia dell’alimentazione, così come alcuni parametri operativi del bruciatore, per analizzare le risposte del sistema a tali modifiche e vedere l’influenza di tali variazioni sulle emissioni inquinanti.
Successivamente, è stato preso in considerazione un altro bruciatore pilota, sempre sviluppato presso i laboratori Enel-Ricerca di Livorno; anche questo è in grado di operare in modalità flameless ed è già stato oggetto di studio di precedenti lavori di tesi di laurea (Parente 2003-2004; Paulozza, 2003-2004). In questo caso, scopo del presente lavoro di tesi è stato quello di progettare delle modifiche al bruciatore sperimentale in modo da superare limitazioni e problematiche riscontrate nei precedenti studi.
3.1
Il bruciatore Stirling
3.1.1 Descrizione del bruciatore
L’apparecchiatura è costituita da una camera di combustione di forma cilindrica (Figura 3.1) (tubo di fiamma, lungo 310 mm e con diametro pari a 87,3 mm) contenuta in un involucro esterno (lunghezza 448 mm) caratterizzato da una sezione trasversale non costante (con diametro variabile tra 210 e 235 mm), minore in corrispondenza della sezione di uscita dei fumi e maggiore in corrispondenza della sezione di inversione di flusso dei gas di combustione in uscita dal tubo di fiamma. Per i dettagli relativi alla geometria e a tutte le dimensioni si rimanda all’Appendice 1, in cui sono riportati i disegni relativi a tutte le parti che costituiscono il bruciatore con le rispettive misure.
Figura 3.1 – Tubo di fiamma (a) e scambiatore alettato (b)
Il sistema è, infine, racchiuso in un blocco all’interno del quale sono presenti tutti gli ausiliari necessari alla realizzazione del ciclo e alla cogenerazione (Figura 3.2).
circonferenza di 78.3 cm di diametro e inclinati di 25° rispetto al piano orizzontale. Gli ugelli di ingresso del combustibile sono disposti sulla superficie laterale di un tronco di cono interno agli ugelli dell’aria e risultano inclinati di 65° rispetto all’orizzontale (Figura 3.3).
Figura 3.3 – Distributore per l’ingresso di aria e combustibile in camera di combustione
Tale configurazione fa sì che l’aria comburente in ingresso trascini con sé anche il combustibile, che entra a velocità più bassa, e in questo modo la miscela entra in camera di combustione.
I fumi che si formano dopo che la miscela ha reagito, escono dal fondo della camera, chiusa all’estremità da un apposito tappo, invertono il flusso, passano nella sezione anulare tra i due cilindri e lambiscono uno scambiatore alettato al cui interno circola elio (Figura 3.1). In questo modo i fumi si raffreddano cedendo, tramite lo scambiatore alettato, parte del loro calore all’elio; questo calore verrà poi convertito in potenza elettrica attraverso il ciclo Stirling.
Prima di uscire dal bruciatore, parte dei fumi viene ricircolata all’interno della camera di combustione grazie all’azione di trascinamento esercitata dall’aria in ingresso. Tale condizione è fondamentale per l’instaurarsi di un regime di combustione flameless (Capitolo 1).
Per garantire buone efficienze energetiche, i fumi in uscita cedono calore all’aria in ingresso attraverso un preriscaldatore caratterizzato da una struttura di tipo honeycomb. In tal modo l’aria raggiunge una temperatura di circa 600 °C in ingresso alla camera di combustione. Il preriscaldatore è proprio una delle differenze principali tra il bruciatore in questione e quelli convenzionali.
Nel bruciatore si raggiungono temperature di lavoro che sono comprese tra 1200 - 2000 °C. Prima di essere inviati al camino i fumi subiscono un altro raffreddamento, in uno scambiatore acqua-fumi: il gas viene raffreddato fino a valori tali da consentirne l’emissione in atmosfera e l’acqua viene riscaldata, ottenendo quindi potenza termica. L’acqua utilizzata in questo scambiatore è acqua proveniente da un circuito esterno.
All’interno del blocco chiuso è presente un altro scambiatore acqua-acqua, in cui l’acqua proveniente dal circuito esterno raffredda l’acqua del circuito interno, necessaria a raffreddare i pistoni e il generatore che fanno parte del ciclo Stirling.
Il bruciatore può essere quindi schematizzato come un sistema a blocchi all’interno del quale è possibile distinguere diversi cammini: miscela reagente-fumi, elio, acqua dalla rete, acqua del ciclo interno (Figura 3.4).
Il bruciatore è realizzato interamente in acciaio e tra i due cilindri è presente uno strato di isolante in fibra ceramica.
Sulla superficie dello scambiatore alettato sono disposte cinque termocoppie per la misura della temperatura dei fumi in uscita dalla camera di combustione; altre misure di temperatura vengono fatte sulla testa del cilindro di espansione e nel condotto dei fumi inviati al camino (Figura 3.5).
Il bruciatore è provvisto di misuratori per l’ingresso del combustibile e di un analizzatore dei gas in uscita, che misura l’eccesso di ossigeno, la quantità di anidride carbonica e gli ossidi di azoto e di carbonio presenti nei fumi.
Le prestazioni del bruciatore possono essere modificate agendo sulla pressione dell’elio, che può variare tra 40 e 150 bar. La variazione avviene attraverso un sistema pistone-pompa che porta l’elio, prelevato dal circuito esterno, dal compressore ad un barilotto di stoccaggio variandone il livello di pressione. Attraverso una seconda valvola magnetica la pressione del motore può essere aumentata di nuovo.
Figura 3.4 – Schema a blocchi del bruciatore
Figura 3.5 – Termocoppie alla superficie dello scambiatore (a) e sulla testa del cilindro di espansione (b)
3.1.2 Ciclo Stirling
L’elio utilizzato nello scambiatore alettato, compie un ciclo Stirling (Figura 3.6). Il ciclo Stirling è un ciclo di massimo rendimento, in cui il gas compie due trasformazioni
isovolumiche (A e C) e due trasformazioni in cui subisce scambi termici a temperatura costante (B e D).
Figura 3.6 – Ciclo Stirling
Il ciclo Stirling in esame è realizzato da due cilindri disposti a 90°: un cilindro di compressione e uno di espansione, attraverso cui il gas si muove compiendo un ciclo termodinamico chiuso. Il gas è compresso isotermicamente in due stadi: ad un primo stadio di compressione segue un raffreddamento con acqua. Successivamente l’elio passa attraverso un rigeneratore (caldo in questa prima fase) e lo scambiatore, dove viene riscaldato dai fumi di combustione fino a raggiungere 650 °C quando arriva nel cilindro di espansione. A questo punto il gas inverte il suo percorso, ripassa nel rigeneratore (freddo nella seconda fase) dove viene raffreddato e va di nuovo nel cilindro di compressione. Lo scambiatore elio-fumi è costituito da piccoli tubi alettati che vengono lambiti e riscaldati dai fumi in uscita dal bruciatore; il raffreddattore dell’elio è un piccolo scambiatore ad acqua; il rigeneratore è costituito da una struttura metallica compressa e funge da “deposito” di calore durante il ciclo, cioè a seconda della fase, cede o prende calore dal gas che lo attraversa.
Viene utilizzato elio come gas di lavoro nel ciclo per le sue buone proprietà termiche e aerodinamiche. In questo caso il motore è indipendente dallo scambiatore che fornisce calore dall’esterno.
3.1.3 Campagna Sperimentale
Nel corso delle prove sperimentali è stata valutata la risposta del bruciatore alle variazioni di portata e composizione della miscela combustibile e dei parametri operativi.
Il combustore è progettato per essere alimentato con gas naturale e operare in condizioni di alte potenzialità, ossia con l’elio alle massime pressioni.
La portata di gas naturale in ingresso è stata variata aggiungendo idrogeno e mantenendo costante l’input termico. Tali prove sono state eseguite per diverse pressioni di lavoro dell’elio.
Tabella 3.1 – Prove effettuate nella campagna sperimentale N°prova QGasNaturale (kg/s) QH2 (kg/s) QAria (kg/s) InputTermico (kW) %InputTermicoH2 PressioneHe (bar) 1 0,000232 0 0,006554 10,8 0 40 2 0,000265 7,6E-06 0,008623 13,3 6,9 40 3 0,000238 1,6E-05 0,008848 12,98 14,5 40 4 0,000227 2,3E-05 0,009524 13,3 20,4 40 5 0,000523 0 0,012949 24,4 0 90 61 0,000244 1,3E-05 0,00719 13,0 12,4 90 7 0,000447 2,8E-05 0,014388 24,2 14,0 90 8 0,000442 3,9E-05 0,015613 25,3 18,6 90 9 0,000639 0 0,01536 29,8 0 120 10 0,0006 1,7E-05 0,016571 30,0 7,0 120 11 0,000562 3,6E-05 0,017715 30,5 14,1 120 12 0,000537 5,1E-05 0,018776 31,1 19,5 120
3.2
Il bruciatore Flameless
3.2.1 Descrizione del bruciatore
Il bruciatore oggetto delle simulazioni numeriche è un combustore pilota sviluppato presso i laboratori Enel-Ricerca di Livorno, in grado di operare sia in regime di combustione con fiamma stabilizzata al bruciatore (flame) che in modalità di combustione flameless. Il bruciatore sperimentale, rappresentato schematicamente in Figura 3.7, è costituito da un tubo radiante cilindrico (radiant tube) e da un tubo di fiamma (flame tube) ad esso coassiale. I reagenti vengono alimentati all’interno del tubo di fiamma, che si riscalda per effetto del calore di combustione e irradia parte del calore verso il tubo esterno. I gas esausti in uscita dal tubo di fiamma invertono il flusso e si muovono nella
sezione anulare tra i due tubi, raffreddandosi per effetto del calore trasmesso al tubo radiante per convezione. Una parte dei gas esausti ricircola nella zona di combustione, a causa dell’azione di trascinamento esercitata dal getto d’aria in ingresso al bruciatore, attraverso tre aperture rettangolari disposte simmetricamente a 120° sulla superficie del flame tube. Il bruciatore oggetto di studio è di tipo auto-recuperativo poiché presenta al suo interno una sezione di recupero dell’energia contenuta nei fumi caldi per il preriscaldamento dell’aria in ingresso. Le superfici di scambio lambite dai gas esausti e dall’aria presentano una particolare alettatura, che migliora l’efficienza di scambio termico (Figura 3.8).
Il combustore deve essere avviato in modalità flame poiché la combustione senza fiamma richiede temperature operative superiori alla temperatura di auto-ignizione del combustibile. In regime di funzionamento con fiamma stabilizzata al bruciatore, l’alimentazione è costituita da una miscela omogenea di combustibile ed aria. Quando il tubo radiante raggiunge temperature superiori a 800-900°C è possibile operare in regime di combustione flameless, variando la modalità di iniezione dei reagenti, che vengono alimentati separatamente. Questo accorgimento è necessario per evitare che la combustione abbia luogo prima del miscelamento dei reagenti con i gas esausti. Il combustibile viene introdotto, quindi, con una lancia mentre l’aria comburente accede attraverso una sezione anulare coassiale alla lancia di iniezione (Figura 3.7).
Fatta eccezione per la lancia di alimentazione del combustibile, in acciaio, il bruciatore è realizzato interamente in carburo di silicio. Questo materiale permette, infatti, di raggiungere temperature superiori a 1300°C, garantendo efficienze energetiche molto elevate con costi di manutenzione ridotti, grazie all’eccellente resistenza chimica. L’impiego del carburo di silicio in applicazioni di combustione costituisce una soluzione tecnologica molto avanzata, le cui limitazioni sono essenzialmente legate al costo e alla fragilità del materiale.
Il tubo radiante è circondato da uno schermo di Acciaio Inconel 601 e da una camicia di raffreddamento ad acqua, inizialmente costituita da un serpentino di rame a doppio passaggio (Figura 3.9). In corrispondenza della sezione di recupero del bruciatore, lo schermo di Inconel è rivestito, sia internamente che esternamente, con uno strato di materiale isolante in fibra ceramica Nextel 440 (Figura 3.10).
La superficie esterna del tubo radiante è strumentato con termocoppie per la valutazione del profilo di temperatura assiale (Figura 3.11). Il bruciatore è equipaggiato, inoltre, di misuratori di flusso per l’aria, il combustibile e l’acqua di raffreddamento e di una strumentazione analitica per la misura delle concentrazioni di ossigeno e degli ossidi di azoto nei fumi di combustione. L’assemblaggio finale del bruciatore è riportato in Figura 3.12.
Figura 3.7 - Schema del bruciatore flameless sviluppato presso i laboratori Enel-Ricerca di Livorno e indicazione del percorso dei gas.
(a) (b)
Figura 3.9- Schermo di Inconel (a) e Camicia di raffreddamento (b).
Figura 3.11 – Tubo radiante equipaggiato con termocoppie
Figura 3.12 - Assemblaggio finale del bruciatore flameless
Sulla linea di alimentazione del combustibile è presente, inoltre, una controllo di tipo ON/OFF. Dagli studi condotti nei precedenti lavori di tesi (Parente 2003-2004; Paulozza 2003-2004) si è visto che è non possibile far operare il bruciatore in condizioni di massimo carico dal momento che la camicia di raffreddamento risulta sottodimensionata rispetto alle reali esigenze di scambio termico. Il controllo ON/OFF interrompe l’alimentazione di combustibile quando vengono raggiunte temperature che potrebbero compromettere la resistenza dei materiali. Ciò impedisce il raggiungimento di condizioni di funzionamento stazionarie, come evidenzia l’andamento nel tempo della concentrazione di NO nei fumi riportato in Figura 3.13. La concentrazione di NO nei fumi aumenta, fino a che non
diminuiscono. Quando la temperatura diminuisce al di sotto del limite massimo viene riavviata l’alimentazione. Si osservano pertanto degli andamenti di tipo ciclico per tutte le grandezze misurate.
Nei precedenti lavori di tesi (Parente 2003-2004; Paulozza 2003-2004) era stata evidenziata l’impossibilità di un confronto diretto tra i dati della campagna sperimentale e le simulazioni numeriche (stazionarie), e la necessità di ricorrere ad un opportuno processamento dei dati sperimentali basato su tecniche di estrapolazione.
Per questo motivo, secondo scopo del presente lavoro di tesi è stato quello di progettare un nuovo sistema di raffreddamento in grado di smaltire il calore prodotto all’interno del bruciatore in maniera appropriata e tale da consentirne il funzionamento allo stazionario. In questo modo risulterà possibile il confronto tra dati sperimentali e simulazioni numeriche senza ricorso a estrapolazioni o approssimazioni.
0 10 20 30 40 50 60 15.15.00 15.22.12 15.29.24 15.36.36 15.43.48 Tempo N O @ 3 % O 2 [ p p m ]
3 La Sperimentazione... 53
3.1 Il bruciatore Stirling... 53
3.1.1 Descrizione del bruciatore... 53
3.1.2 Ciclo Stirling... 57
3.1.3 Campagna Sperimentale ... 59
3.2 Il bruciatore Flameless... 60
