Combustione
Docente
Crediti
6 CFU
Obiettivi formativi specifici
Il corso si prefigge di introdurre i principi fondamentali della combustione fornendo le basi teoriche propedeutiche alle diverse applicazioni della combustione negli impianti motori termici e nell’industria di processo. In particolare, saranno forniti adeguati strumenti chimico-fisico-matematici che consentano di effettuare valutazioni quantitative e predittive dei processi di combustione.
Competenze acquisite
- Conoscenza delle diverse tipologie e fenomenologie di combustione
- Calcolo dei parametri termochimici della combustione e della composizione di equilibrio dei prodotti della combustione
- Conoscenza dei principali meccanismi cinetici, calcolo delle velocità di reazione
- Uso delle equazioni di conservazione per sistemi reagenti multicomponente
- Valutazioni per fiamme premiscelate e a diffusione, laminari e turbolente
- Applicazione di modelli 1D per l’analisi di deflagrazione e detonazione
- Conoscenza degli aspetti di base della combustione di solidi
- Conoscenza dei principali dispositivi e sistemi di combustione
Programma
Termochimica e combustione: Equazioni di stato. Primo principio della termodinamica. Miscele di reagenti e prodotti: stechiometria, entalpia assoluta e di formazione, entalpia di combustione e poteri calorifici. Temperatura adiabatica di fiamma. Equilibrio chimico: secondo principio della termodinamica, funzione di Gibbs, prodotti della combustione in equilibrio. Classificazione e chimica degli idrocarburi. (10 ore)
Cinetica chimica e principali meccanismi di combustione: Richiami su reazioni globali ed elementari, velocità delle reazione elementari e dei meccanismi multistadio. Il sistema H2-O2. Ossidazione del monossido di carbonio. Combustione del metano. Ossidazione delle paraffine a più alto peso molecolare. Formazione degli ossidi di azoto: meccanismi di Zeldovich, di Fenimore e del N2O intermedio. (6 ore)
Equazioni di conservazione per sistemi reagenti: Legge di diffusione di Fick. Basi molecolari della diffusione. Diffusione nei sistemi multicomponente. Equazioni di conservazione per flussi reagenti: conservazione della massa, delle specie chimiche, della quantità di moto e dell'energia. Equazione dell'energia nella forma di Shvab-Zeldovich. Scalari conservati (frazione di miscela ed entalpia assoluta). (6 ore)
Analisi termica di sistemi reagenti: Reattori chiusi (reazioni a pressione costante e a volume costante). Reattori a perfetto miscelamento. Reattori con flusso a pistone. Applicazioni ai sistemi di combustione. (4 ore)
Fiamme premiscelate laminari: Descrizione fisica e applicazioni. Geometria della fiamma, velocità e spessore della lamina di fiamma. Modello semplificato di Spalding. Struttura di una fiamma metano-aria. Effetto delle variabili fisiche e chimiche. Correlazioni per la velocità di fiamma. Ritorno di fiamma, quenching, limiti di infiammabilità, ignizione, stabilizzazione della fiamma. (6 ore)
Fiamme a diffusione laminari: Descrizione fisica e applicazioni. Geometria della fiamma, velocità e spessore della lamina di fiamma. Modello semplificato di Spalding. Struttura di una fiamma metano-aria. Effetto delle variabili fisiche e chimiche. Correlazioni per la velocità di fiamma. Ritorno di fiamma, quenching, limiti di infiammabilità, ignizione, stabilizzazione della fiamma. (6 ore)
Fiamme a diffusione laminari: Getti laminari non reagenti. Descrizione fisica e teoria semplificata dei getti reagenti. Lunghezza di fiamma nei bruciatori con foro circolare e a fessura. Fiamme controllate dal flusso di quantità di moto o dal galleggiamento, numero di Froude di fiamma. Effetti della geometria, della portata di combustibile e della stechiometria sulla lunghezza di fiamma. Formazione e ossidazione del particolato. (6 ore)
Evaporazione e combustione di gocce sferiche: Alcune applicazioni (motori Diesel, turbine a gas, endoreattori a propellente liquido). Modelli di evaporazione e combustione della goccia. Transfer number, costante di velocità della combustione, legge del D quadro, tempo di vita della goccia. Combustione monodimensionale controllata dall'evaporazione del combustibile liquido. (4 ore)
Introduzione ai flussi turbolenti: Definizione di turbolenza. Scale di lunghezza nei flussi turbolenti. Analisi dei flussi turbolenti. Getti turbolenti assialsimmetrici. (2 ore)
Fiamme premiscelate turbolente: Alcune applicazioni (motori ad accensione comandata, turbine a gas, bruciatori industriali). Velocità di fiamma turbolenta. Struttura delle fiamme premiscelate turbolente. Numero di Damkohler e regimi di fiamma. Stabilizzazione della fiamma. (4 ore)
Fiamme a diffusione turbolente: Fiamme a getto: applicazioni, analisi semplificata, lunghezza di fiamma, radiazione di fiamma, sollevamento e strappamento della fiamma. Altre configurazioni di fiamma e relativi dispositivi pratici di combustione. (4 ore)
Combustione di solidi: Combustione in fase eterogenea. Combustione superficiale del carbonio (modello a film singolo). Combustione del carbone e di altri solidi. (4 ore)
Detonazione: Definizione e descrizione fisica. Analisi monodimensionale della detonazione. Curva di Rankine-Hugoniot e punti di Chapman-Jouguet. Limiti di detonabilità. Velocità di detonazione. Struttura delle onde di detonazione. (4 ore)
Bibliografia
- Stephen R. Turns, “An Introduction to Combustion: Concepts and Applications”, second edition, McGraw-Hill, 2000.
- Kenneth K. Kuo, “Principles of Combustion”, second edition, John Wiley & Sons, 2005.
Modalità d'esame
Prova scritta e orale