Riassunto analitico
Nell'ambito della produzione di energia e dei sistemi propulsivi, gli ultimi anni hanno visto la ricerca ingegneristica impegnata nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie più efficienti e con un impatto ambientale ridotto. L'UE ha difatti stabilito obiettivi circa la riduzione di gas climalteranti emessi allo scarico; entro il 2030 le emissioni climalteranti vanno ridotte di almeno il 40% ed inoltre vanno migliorati i valori di efficienza di almeno il 32.5%. E’ infine previsto un obiettivo a lungo termine, che prevede l'azzeramento delle emissioni di gas serra entro il 2050. Nel raggiungimento di tali obiettivi soluzioni quali l'idrogeno ed il syngas rappresentano valide. Il presente lavoro di tesi si concentra sulla caratterizzazione sperimentale della combustione di syngas prodotto da biomassa tramite analisi delle emissioni allo scarico di un bruciatore e sullo sviluppo di un modello numerico capace di replicare i valori sperimentali. Il lavoro è suddiviso in una prima campagna sperimentale utile ad ottenere i risultati di raffronto col modello numerico, oltre che alla raccolta di informazioni di carattere geometrico e chimico-fisico. Tramite l’utilizzo di 11 termocoppie poste lungo l’asse del bruciatore è stato possibile ricavare il profilo di temperatura, mentre tramite l’utilizzo di un analizzatore di emissioni sono stati ricavati i PPM di NOx, CO, CO2 ed O2 in uscita dal bruciatore. In seguito i risultati ottenuti sono stati trasferiti sul software commerciale STAR-CCM+ per lo sviluppo del modello. La prima fase del lavoro si è basata sulla valutazione del mixing tra aria e combustibile all’interno dell’apparato sperimentale. In particolare è stato creato un modello 3D del sistema posto precedentemente al bruciatore, in modo tale da operare simulazioni di flussaggio stazionario dei flussi di aria e syngas utili a ricavare le condizioni al contorno di temperatura, velocità, Turbulent Kinetic Energy e Turbulent Dissipation Rate per le successive simulazioni. In seguito si è passati allo sviluppo di due modelli del bruciatore, uno in 2D ed uno in 3D, su cui sono state operate le effettive simulazioni di combustione. Il modello di combustione utilizzato è stato il Complex Chemistry con il modello di chiusura Eddy Dissipation Concept. Per l’utilizzo del modello CC è stato fornito in input un codice di cinetica chimica con 222 reazioni e 37 specie, mentre il modello EDC è stato opportunamente calibrato. Per ricavare il profilo di temperatura, è stato creato un plot del profilo di temperatura lungo l’asse del bruciatore utilizzando un “Line Probe” in modo da ottenere un profilo continuo. Il profilo di temperatura ottenuto numericamente risulta molto simile al profilo sperimentale, e ciò è stato ottenuto con modelli di scambio termico convettivo a parete e radiativo. Per quanto riguarda le emissioni invece è stato utilizzato un “Probe Point” localizzato circa nello stesso punto di misura della sonda dell’analizzatore di emissioni. Tramite un report di tipo “Maximum” si è tenuta traccia delle frazioni in massa delle specie di interesse (e.g. NOx, CO, CO2, O2) da cui sono stati ricavati i valori in “Parti per Milione” PPM utili al confronto dei risultati. I risultati ottenuti mostrano quindi un’ottima correlazione dei profili di temperatura grazie all’implementazione del modello radiativo. Per quanto riguarda le emissioni, si ha che i valori di CO2 ed O2 trovati numericamente combaciano con i risultati sperimentali. I valori di CO mostrano invece una discrepanza dovuta probabilmente alla presenza di catrami incrostati tra le maglie di una griglia metallica presente in ingresso al bruciatore. Infine i valori di NOx sono abbastanza similari ai valori trovati sperimentalmente.
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