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Nuove tecnologie ottiche per la caratterizzazione, la diagnostica ed il controllo dinamico dei processi di combustione

Pubblicazione

Data: 04-2009

Autore: R.Bruschi, C.Stringola, E.Giacomazzi, S.Giammartini (ENEA)

Collana: BT - 44 - Apr 09 - Processi di combustione: Tecnologie innovative per la compatibilità ambientale

Note:
Lo scopo di questo articolo è quello di descrivere sinteticamente la metodologia ottica ODC (optical diagnostic of combustion), messa a punto nei laboratori dell’ENEA e di fornire una panoramica sulle applicazioni realizzate con essa, in particolare dedicate alla diagnostica dei processi combustivi. L’ODC, usando una tecnologia a bassa intrusività, produce informazioni utili alla diagnostica real-time del stato funzionale del processo combustivo. La metodologia assume che la fluidodinamica interagendo con gli “spazi” in cui avvengono i processi reattivi li modula nel tempo (e nello spazio) e quindi l’emissione luminosa, componente radiante dell’ energia del processo, viene così a contenere tutte le informazioni dinamiche, anche quelle della fluidodinamica. La validazione della consistenza dell’informazione è fatta per confronto con gli spettri di variazione di velocità ottenuti con tecnica LDA. L’estrazione dell’informazione, relativa alla fluidodinamica e non, consiste nell’acquisizione, a largo spettro (uv-ir), delle emissioni luminose e sulla analisi della loro densità spettrale. L’individuazione della forma e la stima delle energie di banda (associate alle scale grandi, inerziali e dissipative) permettono di sviluppare strategie diagnostiche sullo stato di instabilità dei processi. Saranno presentati alcuni test che evidenziano come la tecnica ODC permetta di implementare sistemi in grado di espletare funzioni diagnostiche su processi combustivi premiscelati (caratterizzandone gli stati fluidodinamici e diagnosticando la possibilità di innesco di fenomeni di instabilità termoacustica – humming- tramite l’individuazione di eventi precursori), diffusivi (individuandone le instabilità fluidodinamiche che innescano fenomeni di blow-off o blow-in della fiamma) e su processi ossi-combustivi di tipo flame-less (individuando la presenza “degli impulsi di fiamma” e caratterizzandoli si può risalire allo “stato termodinamico” del processo). La possibilità di caratterizzare la dinamica dei processi e la rapidità di risposta della diagnosi rendono i sistemi basati su ODC integrabili nel feed-back loop dei sistemi di controllo. Ne verrà esposta una applicazione su un bruciatore, (laboratory-scale), su cui è possibile innescare instabilità fluidodinamiche (blow-off della fiamma). Vedremo come il sistema di controllo della instabilità della fiamma agisce in modo da mantenere la “forma” del power spectral density corrente allineata a quello di riferimento, realizzato in una fase di stabilità. Il sistema agisce modulando il flusso d’aria di micro-jet che vanno a formare una sorta di cilindro turbolento che avvolge la fiamma. Si mostrerà come, con configurazioni appropriate, la tecnica ODC può essere utilizzata per la misura on-line della velocità assiale media dei gas combusti in impianti turbogas (velocimetria). Il principio operativo si basa sull’individuazione di “strutture radianti”, prodotte dal bruciatore e trasportate dai gas combusti. Queste, conservando le proprie caratteristiche per un sufficiente intervallo di tempo e spazio, traguardano, in istanti diversi, due sonde ODC installate lungo l’asse del reattore; il sistema verifica la coerenza dei segnali, stima l’intervallo di tempo e calcola la velocità. In conclusione va detto che la tecnica ODC, pur essendo ancora in una fase evolutiva, ha comunque raggiunto un grado di maturazione consistente, e pertanto si sta operando per un suo utilizzo in ambiente industriale.


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