SVILUPPO DI METODI DI OTTIMIZZAZIONE DI CAMERE DI COMBUSTIONE DI SISTEMI ENERGETICI A BASSO IMPATTO AMBIENTALE

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Questa attività, viene condotta nell’ambito del progetto sullo studio delle emissioni inquinanti allo scopo di mettere a punto una metodologia di stima dei livelli di produzione, delle specie chimiche minori (NOx,CO,soot,etc,..), da parte di combustori turbogas.Essa si propone di verificare la possibilità di applicazione della procedura RNA (Reactor Network Analysis) a partire da dati termofluidodinamici (TFD) prodotti dal codice CFD KIEN.
L’algoritmo RNA consente di seguire l’evoluzione di diverse specie chimiche costruendo una rete di reattori (CSTR), sui quali applicare schemi cinetici complessi per la simulazione di processi combustivi; tale metodologia permette, quindi, la valutazione dei livelli di concentrazione finale e locale dei composti di interesse.I reattori vengono ricavati a partire da domini tipici di applicazioni CFD mediante un metodo di classificazione delle celle basato su criteri di omogeneità chimico-fisica. 
L’analisi RNA è stata fino ad oggi utilizzata esclusivamente in combinazione con il software CFD IPSE il cui campo di applicazione riguarda i generatori di vapore per la produzione di energia elettrica.
KIEN è un codice termofluidodinamico, di tipo URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes), in grado di simulare processi di combustione, all’interno di domini complessi a geometria fissa.Esso consente di risolvere le equazioni di Navier-Stokes in formulazione transitoria, per flussi turbolenti e comprimibili, in presenza di scambi termici alle pareti e di reazioni chimiche.
Il numero di specie e di reazioni chimiche implementate è limitato in genere a non più di 10 per contenere il tempo di elaborazione.
KIEN discretizza il dominio suddividendo lo spazio in unità adiacenti di forma esaedrica utilizzando griglie semistrutturate; tale procedura di semistrutturazione consiste nella soppressione di celle non funzionali (dette virtuali) che vengono comunque mantenute nella struttura della griglia logica, ma assumono fisicamente un volume nullo.
La prima parte del lavoro di tesi riguarda l’adeguamento informatico dei moduli del codice RNA alle caratteristiche dell’input di KIEN. 
Per mettere a punto la procedura di interfacciamento è stato necessario fare riferimento ad un semplice caso campione di un combustore turbogas; tra le diverse applicazioni del codice CFD è stata scelta quella riguardante la camera di prova TAO equipaggiata con un bruciatore di tipo ibrido.
KIEN segue l’evoluzione temporale del sistema in esame e la valutazione del raggiungimento della stazionarietà del processo è affidata all’analisi dell’andamento di una serie di grandezze globali campionate ad alta frequenza (es: portata massiva che esce dal dominio di calcolo, il momento angolare globale, la quantità totale presente nel dominio di una o più specie); la soluzione stazionaria non è necessariamente stabile e costante, in genere risulta oscillante attorno a dei valori medi. Le fluttuazioni di portata, si riflettono sulla rete di reattori creata dalla classificazione RNA e si traducono in sensibili sbilanci di materia che risultano non compatibili con l’esecuzione del modulo del calcolo cinetico dettagliato.
E’ stato necessario, quindi, elaborare un metodo di chiusura dei bilanci di massa minimizzando le variazioni quadratiche delle portate medie delle singole unità della griglia di reattori.
La seconda parte dell’attività è inerente alle simulazioni effettuate con reti di 200, 500 e 1000 unità per la stima dell’efficacia, della procedura RNA, nel dettagliare il dominio di calcolo e nel prevedere i campi di grandezze TFD prodotti dal KIEN.
Sulla base dello studio condotto è possibile tracciare il seguente quadro conclusivo:
? la metodologia RNA per la generazione della rete di reattori necessita di un numero relativamente elevato di unità per un adeguato dettagliamento dei campi CFD prodotti dal codice KIEN; la procedura di classificazione deve essere ottimizzata sulla base dei parametri di input DTemp e DLambda (utilizzati nel clustering iniziale del dominio stechiometria-temperatura) e quindi sul numero massimo di reattori per averne una distribuzione quanto più possibile omogenea sul dominio di calcolo.
? Le incongruenze che si riscontrano sui campi di concentrazione sono presumibilmente imputabili alla differenti cinetiche implementate in KIEN e RNA. Un codice CFD data l’elevata risoluzione spaziale, in cui suddivide il dominio di calcolo, può applicare solo schemi cinetici di combustione globali che possono risultare incompatibili con i meccanismi dettagliati utilizzati dall’analisi RNA, producendo dinamiche diverse per quanto riguarda l’ossidazione del combustibile. 

L’analisi dei risultati delle simulazioni RNA hanno mostrato come nel sistema siano presenti correnti di by-pass, svincolate dal flusso principale di combustione, che fuoriescono direttamente dalla camera di combustione senza bruciare completamente; queste correnti possono essere dovute sia ad una carente definizione di alcune regioni del dominio di calcolo e sia ai differenti schemi cinetici impiegati.
Per migliorare questo aspetto, sono necessarie ulteriori analisi da eseguire con reti composte da un numero di reattori più elevato. Inoltre è necessario riuscire a confrontare i risultati dei calcoli di KIEN e di RNA a parità di schema cinetico, in modo da fornire una misura della accuratezza della semplificazione della fluidodinamica offerta dalle reti di reattori.
A tal fine gli sviluppi futuri dell’attività riguarderanno:
• l’adeguamento del codice RNA con l’inclusione di cinetiche globali, al fine di permettere l’esecuzione dei calcoli con le cinetiche adoperate da KIEN;
• la modifica del file di interfaccia KIEN-RNA con l’inserimento di un ulteriore campo CFD, che definisca la condizione di turbolenza di ogni cella della griglia, in modo da poter intervenire sulle costanti cinetiche di reazione tenendo conto anche dell’effetto del miscelamento;
• il confronto con dati sperimentali per le specie di interesse