An oil gun design tool for twin-fluid internal-mixing atomizers

This thesis work is the result of the collaboration between Politecnico di Milano and AC BOILERS SpA® in the context of the B4Greens project concerning fuel oil atomization through twin-fluid internal-mixing atomizers in TEA-BA burners. In twin-fluid atomizers a high-velocity gaseous stream is used to assist the atomization of heavy fuel oils (HFO) with high viscosity, enhancing the liquid atomization in the mixing chamber and then generating a spray formed by smaller droplets. A dedicated tool in Excel with some VBA code, the “Oil_Gun_Designer”, is developed to compute the overall cross sections of the atomizer. The tool is based on the estimation of the pressure drops of the two fluids inside the oil gun and contains a heat transfer model for the heat exchange between the two streams when flowing in the co-current ducts of the gun. A dedicated function in VBA is created to compute the thermodynamic properties of fuel oil, water (both liquid and vapour) and compressed air as a function of pressure and temperature or as a function of pressure and specific enthalpy. In particular, the fuel oil properties variation with temperature is investigated carefully. Furthermore, a test is executed in order to measure the mixing pressure and the mixing temperature inside the atomizer chamber. The results point out that the mixing pressure measured at full load is higher than the expected one. Moreover, at partial loads, a decrease in the supply pressure causes a decrease in the mixing pressure. A comparison between two different type of oil guns is carried out in order to understand how the pressure inside the mixing chamber affects the atomizer performances. This analysis highlights how the mixing pressure plays a key role in determining the atomizer sections. In fact, an increase in the mixing pressure results in an increase in the cross sections of the mixing plate and in a decrease in the outlet holes cross section. Finally, from the sensitivity analysis, it comes out that the internal tube of the small gun is characterized by a higher values of pressure drop with respect to that of the big gun, resulting in a higher oil gun supply pressure and in a higher mixing pressure.

Il presente elaborato è il risultato di una collaborazione tra il Politecnico di Milano e AC BOILERS SpA® nell’ambito del progetto B4Greens riguardante l’atomizzazione di olio combustibile in atomizzatori a doppio fluido con miscelamento interno, utilizzati nei bruciatori “Triflusso Enel-Ansaldo, Bi-Aria”. Negli atomizzatori a doppio fluido, viene usato un flusso gassoso ad alta velocità per permettere l’atomizzazione dell’olio combustibile che avviene nella camera di miscelazione, generando uno spray formato da piccole goccioline. È stato sviluppato uno strumento Excel con codice VBA chiamato “Oil_Gun_Designer” in grado di calcolare le sezioni di passaggio dell’atomizzatore. Il software si basa su un modello di stima delle perdite di carico dei due fluidi all’interno della canna olio e contiene un modello di scambio termico che considera lo scambio di calore tra i due flussi quando scorrono nei condotti equicorrente della canna. È stata realizzata un’apposita funzione in codice VBA che permette di calcolare le proprietà termodinamiche dell’olio combustibile, dell’acqua (sia liquido che vapore) e dell’aria compressa in funzione della pressione e temperatura o in funzione di pressione ed entalpia specifica. In particolare, è stata esaminata la dipendenza delle proprietà termodinamiche dell’olio combustibile rispetto alla temperatura. Inoltre, è stato eseguito un test per misurare la pressione e la temperatura di miscela nella camera di miscelazione. I risultati mostrano che la pressione di miscela misurata a pieno carico è più alta di quella che ci si aspettava. Inoltre, ai carichi parziali, una diminuzione della pressione di alimentazione causa una diminuzione della pressione di miscela. È stato eseguito un confronto tra due diversi tipi di canna olio per capire come la pressione all’interno della camera di miscelazione influisca sulle prestazioni dell’atomizzatore. Questa analisi evidenzia come la pressione di miscela giochi un ruolo fondamentale nel determinare le sezioni dell’atomizzatore. Infatti, un aumento della pressione di miscela causa un aumento delle sezioni della piastra di miscelazione e una diminuzione della sezione dei fori in uscita. Infine, dall’analisi di sensibilità, è risultato che il flusso interno nella canna piccola è caratterizzato da valori più elevati di perdite di carico rispetto a quello nella canna grande, giustificando valori di pressione in ingresso alla canna più elevati e una pressione di miscela più alta.