Residence time distribution modeling of combustors through chemical reactor network

The increase of both aviation transportation and energy demand requires a continuous improvement of combustion devices to ensure the sustainability of the combustion process. New combustion concepts are proposed and tested, to increase combustion efficiency and reduce pollutants emission. Lean combustion fulfills the requirements of an efficient and clean combustion process, applicable to aviation gas turbines. It is often coupled with effusion cooling of the combustor liner. The interaction between a hot reaction environment and cold cooling air is not yet fully understood. It needs to be investigated further because it could lead to high carbon monoxide emissions due to rapid and inhomogeneous cooling of pockets of reacting fluid. Oxyfuel combustion, instead, is a strategy applicable to stationary power plants. In this case, the substitution of air with a mixture comprising carbon dioxide and oxygen takes place. Such an approach represents a point of novelty with respect to standard combustion in air. Therefore, an improved understanding of the effect of excess CO2 in a reaction environment is crucial. To this aim, thorough experimental investigation in suitably designed close-to-reality configuration is mandatory, and ideally complemented by the modeling of the observed phenomena. A modeling strategy that well fits the idea of a strong synergy between experiments and modeling, is referred to as Chemical Reactors Network (CRN) modeling. This strategy proposes a simplified version of the flow field based on two extreme mixing possibilities. These models are often sized against the Residence Time Distribution of a certain configuration, that alone yields precious information on the mixing characteristic of the system under investigation. In the current work, Chemical Reactors Network modeling is applied to two suitably designed close-to-reality configurations. They are representative of an aviation gas turbine combustor and a power generation furnace. These systems were designed to better understand the underlying phenomena while investigating new combustion concepts, such as lean combustion and oxyfuel combustion. CRN models are designed and tested in both situations. These models are developed based on zonal modeling of the flow field and on the Residence Time Distribution of the systems. In both cases, their performances are tested against experimental data available for both test-rigs. Additionally, they are employed to understand the impact of the operating conditions on the combustion process. This work states the importance of such simple and flexible tools in combustion research.

L'aumento del trasporto aereo e della domanda energetica richiede un continuo miglioramento dei dispositivi adibiti al processo di combustione, al fine di garantirne la massima sostenibilità. A tal riguardo, nuovi processi vengono continuamente proposti e testati con l’obiettivo di aumentare l'efficienza della combustione e di ridurre le emissioni di sostanze inquinanti. Un processo di combustione caratterizzato da condizioni magre soddisfa i requisiti di efficienza e ridotte emissioni, applicabile alle turbine a gas di tipo aeronautico. Questo processo è spesso accoppiato a un raffreddamento di tipo ad effusione del rivestimento della superficie del combustore. Tuttavia, la complessa interazione esistente tra l’ambiente di reazione estremamente caldo e la corrente di aria fredda adibita al raffreddamento non è ancora stata pienamente compresa. Per questo motivo, ulteriori studi sono necessari in quanto una tale condizione operativa potrebbe portare alla produzione di elevate emissioni di monossido di carbonio come conseguenza di un rapido e disomogeneo raffreddamento di sacche di fluido reagente. D’altro canto, per quanto riguarda le grandi centrali elettriche, l’ossicombustione (Oxyfuel) rappresenta una valida strategia caratterizzata dalla sostituzione di aria con una miscela formata da anidride carbonica e ossigeno. Tale approccio costituisce una novità rispetto alle metodologie di combustione standard e, a tal riguardo, è quindi fondamentale ottenere una migliore comprensione degli effetti dovuti alla presenza di un eccesso di CO2 in un ambiente reagente. E’, pertanto, fondamentale perseguire approfondite indagini di tipo sperimentale con configurazioni e apparati il più possibile realistici, le quali devono inoltre essere affiancate e completate da modellazioni di tipo numerico dei diversi fenomeni osservati. In tale contesto, una strategia che ben si adatta all'idea di questa forte sinergia tra ricerca sperimentale e investigazione numerica è rappresentata dalla cosiddetta tecnica di modellazione “Chemical Reactors Network” (CRN, detto anche “modello a compartimenti”). Questo approccio propone una versione semplificata del campo di moto, basata sulle due possibilità estreme di miscelazione. Modelli di questo genere sono spesso dimensionati rispetto alla “Residence Time Distribution” (distribuzione del tempo di residenza) di una determinata configurazione. Questa quantità consente di ottenere preziose informazioni sulle caratteristiche di miscelazione del sistema in esame. Nel presente lavoro, la metodologia basata sul modello a compartimenti viene applicata a due configurazioni, appositamente progettate per rispecchiare condizioni di funzionamento reali, rappresentate rispettivamente da un combustore di turbina a gas per aeromobili e un forno dedicato alla produzione di potenza. Questi sistemi sono stati realizzati per comprendere al meglio i fenomeni alla base di nuovi approcci, quali la combustione in condizioni magre e l’ossicombustione. Per entrambe le condizioni, modelli di tipo CRN sono stati progettati e testati. Tali modelli sono sviluppati sulla base di una riproduzione di tipo zonale del campo di moto e della distribuzione dei tempi di residenza. I risultati ottenuti dai modelli sono confrontate con i set di dati sperimentali disponibili per entrambi gli impianti. Inoltre, i risultati ottenuti sono utilizzati per comprendere l'impatto che le condizioni operative esercitano sulla fase di combustione. Questo lavoro testimonia l'importanza che tali semplici e flessibili strumenti rivestono per un’attività di ricerca relativa ai processi di combustione.