Sviluppo di strumentazione e metodi per la diagnostica di sistemi operanti in ossicombustione

Il seguente lavoro di tesi, sviluppato all'interno dell'International Flame Research Foundation presso ENEL Ricerca (Livorno) in collaborazione con ENEA (Casaccia, Roma) e l’Università degli studi di Pisa, si è occupato di sviluppare metodi diagnostici innovativi in sistemi di combustione near zero emission quali Oxy-Fuel Combustion e Flameless ottenuti con diluizione della miscela ad opera di ossigeno puro. Sono stati svolti studi termo-fluidodinamici su fiamme di taglia elevata ottenute in impianti di tipo semi-industriale quali Fo.Sper (Fornace Sperimentale, 5 MW) e precombustore (30 kW ) dell’Isothermal Plug Flow Reactor , un impianto di tipo “Plug Flow”. Per l’attendibilità e la validazione di tali metodi diagnostici innovativi è stato necessario studiare l’osservabilità delle dinamiche di processo e loro caratteristiche, le transizioni tra diversi regimi di combustione (convenzionale ad aria, ossicombustione) e la capacità di fornire indicazioni sulle iterazioni tra chimica e turbolenza nel processo. Lo studio si è valso di una tecnica di misura ottica non invasiva ODC (Optical Diagnostic of Combustion) per mezzo di sonde ottiche in zaffiro monocristallino direttamente inserite in ambiente di processo e di un fotorilevatore in grado di campionare scale in frequenza dell’ordine delle scale chimiche con risposta in real-time basate sul processo chemiluminescente delle fiamme. I dati grezzi ottenuti grazie alla campionatura per mezzo delle sonde, sono stati rielaborati all’interno dell’ambiente di calcolo numerico Matlab ottenendo così, per ogni intervallo preso in esame, i rispettivi spettri in frequenza con le loro frequenze tipiche in grado di evidenziare comportamenti precursori ad eventuali blow-out o blow-off successivi. Di fondamentale interesse anche la pendenza degli spettri che in regime convenzionale è risultata simile a quella dello spettro dell’energia cinetica turbolenta di Kolmogorov, indicando così un regime di combustione controllato dalla turbolenza (chimica infinitamente veloce). In regime di ossicombustione sono state notate differenza tra gli spettri che indicano un accoppiamento diverso tra cinetica e turbolenza. All’interno del precombustore si è avuta assenza di dinamica turbolenta, le reazioni di combustione erano controllate dalla cinetica chimica, ciò ha lasciato pensare ad una combustione volumetrica (Flameless). In conclusione il sistema diagnostico è stato in grado di monitorare l’esistenza di diversi regimi di combustione e di cogliere, anche dal punto di vista semi-quantitativo, importanti caratteristiche del campo emissivo legato al campo di moto/temperatura in fiamme di taglia elevata (5MW) evidenziando l’esistenza di frequenze tipiche per ogni sistema, condizioni operative, apparecchiature sperimentali.