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 di combustione, calcolo delle velocità di reazione
- Uso delle equazioni di conservazione per l’analisi di sistemi reagenti multicomponente
- Calcolo della velocità di evaporazione e combustione di gocce sferiche
- Valutazioni quantitative di fiamme premiscelate e a diffusione, laminari e turbolente
- Conoscenza delle problematiche di ignizione e stabilizzazione delle fiamme e delle relative modalità di calcolo
- Conoscenza dei meccanismi di formazione degli ossidi di azoto e del particolato
- Conoscenza dei principali dispositivi e sistemi di combustione
Programma
Introduzione alla combustione: Presentazione del corso. L’impatto della combustione nel contesto energetico mondiale. Definizione e classificazione dei processi di combustione. (2 ore)
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. Temperature adiabatiche di fiamma. Equilibrio chimico: secondo principio della termodinamica, funzione di Gibbs, prodotti della combustione in equilibrio, dissociazione di CO2 e H2O, equilibrio del gas d’acqua. Recupero energetico nei sistemi di combustione e controllo della temperatura di fiamma: recuperatori e rigeneratori, sistemi FGR ed EGR. Classificazione e chimica degli idrocarburi. (10 ore)
Cinetica chimica e principali meccanismi di combustione: Richiami su reazioni globali ed elementari, velocità delle reazioni 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. (6 ore)
Equ. di conservazione per sistemi reagenti multicomponente: Legge di diffusione di Fick. Basi molecolari della diffusione. Diffusione nei sistemi multicomponente. Equazioni di conservazione della massa, delle specie chimiche, della quantità di moto e dell'energia nei sistemi multicomponente. Scalari conservati. (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. Geometria di fiamma. Modello di Spalding per il calcolo di velocità e spessore di fiamma. Effetto delle variabili fisiche e chimiche. Correlazioni per la velocità di fiamma. Quenching, limiti di infiammabilità, ignizione, stabilizzazione della fiamma. Progetto dei bruciatori. (7 ore)
Fiamme a diffusione laminari: Modello dei getti laminari isotermi e soluzione autosimilare. Descrizione fisica e modello matematico dei getti reagenti. Soluzioni di Burke-Schumann, Fay, Roper. Lunghezza di fiamma nei bruciatori con foro circolare e a fessura. Influenza dei parametri fisici e chimici sulla lunghezza di una fiamma a getto. (7 ore)
Evaporazione e combustione di gocce sferiche: Alcune applicazioni di “spray combustion” (motori Diesel, turbine a gas, endoreattori a propellente liquido). Modelli di evaporazione e combustione di gocce sferiche. Legge del D quadro e vita della goccia. (6 ore)
Introduzione ai flussi turbolenti: Definizione di turbolenza. Scale di lunghezza dei 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. Regimi di fiamma e correlazioni per la velocità di fiamma. Diagramma di Damkohler. Stabilizzazione della fiamma. (4 ore)
Fiamme a diffusione turbolente: Tipologie e applicazioni. Fiamme a getto: caratteristiche geometriche e luminosità, distribuzione della temperatura di fiamma, dati sperimentali, modello semplificato, lunghezza di fiamma e fattori che la influenzano, radiazione di fiamma, strappamento della fiamma. Dispositivi pratici di combustione. (4 ore)
Formazione di specie inquinanti: Meccanismi di formazione degli ossidi di azoto (Zeldovich, Fenimore, N2O intermedio). Formazione e ossidazione del particolato nelle fiamme a diffusione; punto di fumo. (2 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