Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica/ Ingegneria Energetica Formazione e Controllo di Inquinanti nella Combustione Impianti di trattamento effluenti Getti e bruciatori Prof. L.Tognotti Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Getti Gassosi Nei getti liberi, così come negli Sprays ottenuti per atomizzazione con aria, si distinguono tre diverse zone: Zona di transizione Potential core Zona Pienamente Sviluppata 4-5 diametri 4-6 diametri •La zona pienamente sviluppata si ha per lunghezze del getto (x/d=10) dell’ordine di 10 diametri Getti Assiali Il getto si espande con angolo a 20° b/x = cost. a/2 b x Caratteristica del getto è il trascinamento ed un progressivo decadimento della velocità assiale v0 x 0.16 1.5 vm d0 Getti Gassosi Zona Pienamente Sviluppata Nella zona pienamente sviluppata del getto, i profili universali di Temperatura e Concentrazione sono ottenibili dalla teoria dello strato limite: - TeC v essendo Sc 0.7 D Getti Gassosi Linee di corrente in un getto libero circolare Per il trascinamento, concentrazione e temperatura decadono con l’inverso di x, o meglio di x*= x0+x . v0 x 0.16 1.5 vm d0 T0 C0 x 0.22 1.5 Tm Cm d0 Tm, Cm e vm sono i valori massimi, ovvero i valori sull’asse, per r=0. Linee di velocità relativa costante dall’origine apparente del getto Getti liberi e confinati. Trascinamento e Ricircolazioni Per Getti Liberi con getto= aria , la quantità di aria trascinata risulta: mx x 0.32 m0 d0 Equazione di Ricou Spalding mx m0 Più in generale per getto aria , la quantità trascinata è proporzionale a quella del getto: mx 0.32 aria m0 0 0.5 x* 1 d0 sempre con x*= x0+x . Per Getti Confinati la portata trascinabile è finita e si hanno Ricircolazioni di calore e radicali che stabilizzano la fiamma. Getti Confinati e Ricircolazioni Campo di velocità e ricircolazioni in un getto confinato [m/s] Getti Confinati Rapporto di Bloccaggio e Swirl Per Getti Confinati la portata trascinabile è finita e si hanno Ricircolazioni di calore e radicali che stabilizzano la fiamma. In ambienti di grandi dimensioni si usano Stabilizzatori di fiamma definiti in base alla massa ricircolante ed alla estensione della zona di ricircolazione. Rapporto di bloccaggio = (Sez. Libera) / (Sez. Stabilizzatore) Stabilizzazione e ricircolazioni sono anche ottenute con lo Swirl S= n.o di Swirl = Q’ di moto angolare/ Q’ di moto assiale Rapporto di bloccaggio e ‘Bluff Body‘ aria Fuel ricircolo interno aria L’ostacolo induce una zona di ricircolo di gas caldi, ricca di radicali reattivi che mantengono accesa la miscela e stabilizzano la fiamma. La turbolenza nella zona di ricircolazione accelera miscelazione e fenomeni di trasporto Turbulent flame stabilization: bluff-body flame holder Combustion Theory 10 Getti ‘Swirlati’ Un moto a spirale o swirlato può essere prodotto da generatori di vortici a lame o alimentando il getto con componenti di moto tangenziali. Si ottengono in questo modo diversi profili di velocità assiale e tangenziale e quindi differenti modalità di miscelazione. Il numero di Swirl S viene definito come rapporto tra Momento tangenziale della quantità di moto Gt S Quantità di moto assiale Gx per il raggio di gola R : S caratterizza questo moto tangenziale: R2 R1 Per flussi anulari con raggi R1 ed R2 G GX R R2 S 2 u w r dr R1 R2 R2 u 2 r dr R1 Lo Swirl aumenta • spessore • trascinamento • decadimento di velocità assiale del getto N.o di Swirl Il numero di Swirl S viene definito come rapporto tra Il Momento tangenziale della quantità di moto Gt e la quantità di moto assiale Gx moltiplicata per il raggio di gola R : S = Gt/ (Gx R) = swirl ricircolo esterno = 0 ricircolo interno Getti ‘Swirlati’ SWIRL basso SWIRL molto alto Limitati gradienti di pressione radiali Forti gradienti di pressione radiali Rottura di vortici ed intensa zona e moderata zona di ricircolazione di ricircolazione interna Turbulent flame stabilization: swirl induced recirculating flow Combustion Theory 14 Alto Swirl e Bluff Body La presenza di un ‘bluff body’ con geometria anulare, può rendere più importante la zona di ricircolazione interna (IRZ). Alto Swirl e Massa Ricircolante Le massa interna ricircolante aumenta con lo swirl, e con la presenza del ‘bluff body’. a/2 b/2 Fiamme di tipo I, II e III Effetto dello SWIRL Generatori di swirl IRZ Generatore con alimentazione tangenziale IRZ Generatore a ventaglio Divergente Effetto del divergente sulla „IRZ“ Generatore ad alette Linee di flusso in presenza di swirl A – Getto confinato B - Zona IRZ chiusa C - Zona IRZ aperta Forme di fiamma Tipo I S 0.3 - zona toroidale ricircolo perforata dal getto centrale – mixing rate moderato – uso in forni industriali IRZ Tipo II S > 0.6 e oltre - flusso di ricircolo anche al centro – getto primario meno duro - mixing rate intenso – uso in forni e caldaie IRZ Conica ERZ IRZ S alto - flusso di ricircolo al centro – pdc dalla camera di combustione al centro - mixing rate intenso - Fiamma piatta ERZ Open RZ S alto - divergente arrotondato – mixing rate intenso - usato per evitare impatto di fiamma in forni alta temperatura http://www.ifrf.net/ Combustion Theory 21 Fiamma tipo 1 divergente swirl Fiamma tipo 2 divergente forte swirl Cortesia IFRF Fiamma piatta o murale Cortesia CSM ECTA krom schroder Bruciatori ad alta velocità aria Fiamma secondaria prodotti di combustione fuel aria Bluff body Fiamma primaria getto ad alta velocità
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