Introduzione alla combustione

2 marzo 2015

Introduzione alla combustione

Gaetano Continillo

Universita del Sannio, Benevento, Italy

Introduzione

La combustione ed il suo controllo sono essenziali alla vita sulla Terra.

Per esempio l’85% dell’energia usata negli USA 1996 proveniva dalla combustione [US DOE 1996 Annual Energy Review]

Altre fonti

Combustione

Introduzione

Fonte: IEA - CO2 Emissions From Fuel Combustion Highlights 2014

Il trasporto è in massima parte alimentato dalla combustione

(automobili, autocarri, aeromobili, natanti – eccetto le ferrovie)

Numerosi processi industriali si basano estesamente sulla combustione:

• Le industrie del ferro, dell’acciaio, dell’alluminio ed altre

industrie metallurgiche impiegano fornaci

• Trattamenti termici sono realizzati in forni

La combustione è alla base di molti altri dispositivi e processi industriali quali ad esempio i generatori di vapore, in

generale le raffinerie, i forni di

essiccazione, gli inceneritori di materie

organiche.

La fabbricazione dei cementi si basa su un forno rotativo in cui si

produce il clinker)

L’uso della combustione al termine del ciclo di vita (end-of-

lifecycle) di un manufatto include l’incenerimento

I processi di combustione richiedono sviluppo in termini:

• Efficienza termica

• Controllo delle emissioni inquinanti

• Sviluppo di tecnologie per combustibili da fonti rinnovabili

• L’efficienza termica contribuisce al risparmio energetico

• Il controllo delle emissioni inquinanti è necessario per la protezione ambientale globale e locale

• I combustibili da fonti rinnovabili sono necessari a causa dell’esaurimento delle fonti fossili e per evitare l’effetto serra dovuto all’aumento della concentrazione di CO

nell’atmosfera.

Definizione di Combustione

Ossidazione rapida che libera energia termica, con o senza emissione di luce; anche ossidazione lenta che libera

poca energia termica senza emissione di luce.

Questa definizione sottolinea l’importanza primaria delle reazioni chimiche nel fenomeno della combustione.

La definizione spiega anche perché la combustione è così importante: la combustione infatti trasforma l’energia

immagazzinata nei legami chimici in energia termica che

può essere utilizzata in molti modi diversi.

Modalità di combustione e tipi di fiamma

La combustione può avvenire in presenza o in assenza di fiamma.

La differenza fra la combustione in presenza di fiamma e quella in assenza di fiamma può essere spiegata con l’esempio del

fenomeno del knocking (battito in testa) dei motori automoblistici a benzina.

Una fiamma è una zona sottile di reazione chimica

intensa.

Man mano che la fiamma procede attraverso la camera di

combustione, la temperatura e la pressione aumentano nei gas incombusti.

Miscela di gas incombusti Miscela di gas combusti

Fiamma che propaga Scintilla

In certe condizioni, può avvenire una ossidazione rapida in più punti della miscela incombusta (autoignizione), in luogo della propagazione regolare e progressiva della fiamma.

Miscela di gas incombusti

Vi sono fiamme premiscelate e fiamme non-premiscelate (a diffusione).

In una fiamma premiscelata il combustibile e il comburente sono mescolati su scala molecolare prima che avvenga qualsiasi

reazione chimica in misura significativa. I motori ad accensione per scintilla sono un buon esempio.

In una fiamma a diffusione, i reagenti sono inizialmente separati, e la reazione avviene solo all’interfaccia fra combustibile e

comburente. Un esempio di fiamma a diffusione è una candela.

Ossidante che diffonde dall’esterno

Superficie di fiamma

Combustibile liquido che risale per

capillarità Combustibile solido Vapore combustibile che diffonde

dall’interno

6 marzo 2006

Le classi di argomenti più importanti nello studio dei fenomeni di combustione sono:

• la termodinamica chimica

• la cinetica chimica

• i fenomeni di trasporto molecolare

• la fluidodinamica

La termochimica (o termodinamica chimica) permette di conoscere il nesso fra la composizione chimica del sistema, la temperatura e la pressione.

In una reazione chimica si formano e si rompono legami chimici fra atomi e/o molecole. Questa formazione e

distruzione di legami è associata a variazioni dell’energia potenziale di legame: tale energia è distrutta (reazioni esotermiche) o accumulata (reazioni endotermiche), a beneficio o a spese dell’energia cinetica delle molecole.

L’energia cinetica delle molecole è collegata alla temperatura del sistema.

Perciò, dato un sistema reagente isolato, ad ogni possibile

grado di conversione (frazione della quantità dei reagenti

che si trasforma in prodotti) è associato un ben determinato

valore della temperatura. Questa è una conseguenza del

primo principio della termodinamica (conservazione

dell’energia).

Nelle opportune condizioni, tutti i sistemi raggiungono una condizione di equilibrio. L’equilibrio si raggiunge con un qualsiasi percorso compatibile con gli eventuali vincoli del sistema (per esempio volume costante oppure pressione costante).

Per un sistema isolato, nell’ambito di tutti i valori compatibili di conversione e temperatura (detti stati del sistema) che

soddisfano perciò il primo principio della termodinamica,

l’equilibrio corrisponde allo stato per il quale l’entropia è

massima. Questa è una conseguenza del secondo

principio della termodinamica.

I sistemi reagenti procedono quindi verso l’equilibrio ma con una velocità finita. Questa velocità dipende da composizione e temperatura, secondo le leggi studiate e quantificate negli studi di cinetica chimica.

Perciò possiamo dire che la termochimica stabilisce il

traguardo ,mentre la cinetica chimica detta la velocità con

cui il traguardo si raggiunge.

Affinché si verifichi un evento di trasformazione chimica che coinvolge una o più molecole, si deve superare una barriera di energia (energia di attivazione).

Reazioni fortemente esotermiche, quali le reazioni di combustione, possono liberare

grandi quantità di energia cinetica, a patto che alle molecole partecipanti sia somministrata in anticipo l’energia sufficiente a valicare la

barriera.

Un sistema gassoso reagente consiste in un numero enorme di molecole che si muovono e si urtano.

Questa energia è spesso fornita dalle molecole circostanti, che urtano le molecole reagenti e aumentano la loro energia

meccanica, che a sua volta rende efficace l’urto.

Esempio: reazione gassosa bimolecolare del primo ordine Gli eventi di trasformazione chimica avvengono in quantità significativa se:

a) le molecole di entrambi i reagenti sono presenti in gran numero (più ce ne sono, più probabili sono gli urti);

b) l’energia cinetica delle molecole (cioè la temperatura del sistema) è alta (ciascuna collisione ha più probabilità di essere efficace nel causare la reazione chimica).

r kc c  A B

  ₀ ^exp  _A ^/ 

k  k T  k  E RT

I sistemi reali sono non-uniformi nello spazio. Questo produce variazioni nelle concentrazioni delle specie e nella temperatura in funzione della posizione (elevati valori delle derivate o dei loro equivalenti nello spazio tridimensionale cioè i gradienti). Le fiamme (zone sottili di intensa reazione chimica) sono sempre associate a forti gradienti. I gradienti costituiscono le forze

spingenti per i fenomeni di trasporto molecolare di materia e di energia.

Il trasporto molecolare governa la fisica sia delle fiamme

premiscelate che delle fiamme non premiscelate.

• Fenomeno

– Fate cadere una goccia d’inchiostro in un bicchier d’acqua:

osserverete l’inchiostro diffondere nell’acqua e, alla fine, diventare indistinguibile (l’acqua acquista una colorazione leggermente blu).

DIFFUSIONE MOLECOLARE NEI FLUIDI

Se mescolate il fluido con un cucchiaio, il fenomeno accelera.

DIFFUSIONE MOLECOLARE NEI FLUIDI

Se si rimuove il setto, l’agitazione casuale continua a far scambiare posizione tra molecole vicine. Nelle zone lontane dal centro le molecole che si scambiano posizione sono dello stesso tipo, mentre nelle zone centrali le molecole che si scambiano posizione sono sia azzurre che rosa e quindi la composizione cambia.

Immaginiamo di avere due specie chimiche in un recipiente, completamente separate da un setto. Il sistema non è immobile: l’agitazione casuale delle molecole porta a scambiare posizione tra molecole vicine. Tuttavia, poiché le molecole in ciascuna parte sono identiche, la composizione del sistema non cambia.

Il flusso di materia di ciascuna specie, che si realizza in fluido stagnante per effetto dei gradienti di

concentrazione, si chiama flusso diffusivo ed è direttamente proporzionale al gradiente di ciascuna specie, e di verso opposto (legge di FICK).

Nell’esempio, a partire da una distribuzione discontinua, per effetto della diffusione si realizza una distribuzione continua con gradiente sempre meno accentuato.

DIFFUSIONE MOLECOLARE NEI FLUIDI

– Il flusso diffusivo J in una sola direzione (p.es. z) ed osservata in un istante particolare è dato (legge di Fick) da

z z + dz C

C + dC J

z

quando dC è negativo, J è positivo (ha verso concorde a quello

dell’asse z ) come mostrato in figura.

quando dC è positivo, J è negativo (ha verso opposto a quello dell’asse z )

J: flusso diffusivo, kg/(m

s)

C: concentrazione, kg/m

o g/cm

z: posizione (dz in m o cm)

D: coefficiente di diffusione (m

/s o cm

/s)

DIFFUSIONE MOLECOLARE NEI FLUIDI

t to

J D dC

dz

 

Diffusione stazionaria

• Stato stazionario: il profilo di concentrazione (concentrazione in funzione della posizione) non cambia nel tempo, cioè C = C(x)

• Legge di Fick

Esempio:

C_A = 1.2 kg/m³ C_B = 0.8 kg/m³ D = 3 x 10^-5 m²/s

A B

C

z C

C

J cambia con x ma non con t

Si può realizzare se C

e C

sono tenuti costanti.

5 mm Profilo di

concentrazione

z

A B

C

C

C

Profilo di C

stazionario

DIFFUSIONE MOLECOLARE NEI FLUIDI

J D dC

  dx

5 3 2

3

0.8 1.2

3 10 2.4 10 kg/m s

5 10

B A

B A

dC C C

J D D

dx x x

 



    



       



La maggior parte dei processi di combustione avviene nei fluidi in moto. Perciò, quando sono presenti gradienti di composizione e di temperatura, la convezione può essere un fattore

importante, se non dominante, per agevolare il trasporto di materia e di energia.

Inoltre, la maggior parte dei processi di combustione sono

progettati per aver luogo in flussi turbolenti. I flussi turbolenti

sono tra i fenomeni più complessi della fluidodinamica.

Infine, si osservi come i fenomeni citati sono tutti collegati l’uno con l’altro. La temperatura aumenta per effetto delle reazioni chimiche esotermiche, perciò la densità deve diminuire per

obbedire alle relazioni costitutive (equazioni di stato, p. es. legge dei gas ideali). La diminuzione della densità causa una

espansione dei gas e induce un moto nel fluido, che a sua volta

deforma la distribuzione spaziale di materia ed energia, e così

via. Inoltre, le velocità di reazione così come i coefficienti di

trasporto (diffusività, conducibilità termica, viscosità) dipendono

dalla temperatura.

La simulazione di molti fenomeni di combustione gassosa è oggi possibile con l’ausilio di calcolatori veloci ed appositi programmi di calcolo che risolvono le cosiddette equazioni di Navier–

Stokes scritte per sistemi reagenti.

Claude Navier, ingegnere francese, 1785-1836

George Stokes, matematico irlandese, 1819 - 1903