Analisi sperimentale di un bruciatore domestico alimentato con miscele metano/idrogeno

This thesis investigates the thermal behavior of a domestic burner under different operating conditions. After an introductory overview of hydrogen properties, the experimental campaign conducted at the Combustion and Optical Diagnostics Laboratory of the Politecnico di Milano, Bovisa campus, is presented. The tests were performed on a Glemgas U664VI stove model, following a precise procedure for ignition, monitoring, and shutdown of the experimental setup. Preliminary tests analyzed the burner's thermal behavior and evaluated the equivalence ratio using natural gas and, subsequently, pure methane. Initial measurements showed equivalence ratio values ranging from 1.7 to 1.8. Later, modifications to the setup improved measurement accuracy by reducing uncontrolled air intake and integrating a vaporization system. After these improvements, the equivalence ratio for pure methane was measured at approximately 2. To investigate thermal behavior, tests were conducted by varying fuel flow rate, power, and thermocouple positioning inside the burner. Three thermocouples measured temperatures of the metallic body, fuel/air mixture, and entrained air. A thermocouple placed in a blind hole on the burner's lateral surface measured the metallic body temperature. Additional thermocouples, positioned on the burner cap, metallic body, and raiser, recorded fluid temperatures. Results showed that burner body temperature decreased as operating power increased, a more pronounced trend compared to fluid temperature variations. Additionally, deeper placement of the vertical thermocouple resulted in lower temperature readings due to reduced thermal radiation from metal components. The horizontal thermocouple recorded the lowest air temperature when positioned midway between the raiser and outer crown, minimizing radiative effects. Gas temperature above the burner cap decreased with height due to ambient air entrainment. Subsequent experiments examined the thermal behavior of methane-hydrogen mixtures with hydrogen molar fractions ranging from 0 to 50% by volume. Tests were conducted at a constant burner power of 1.75 kW, analyzing changes in thermal behavior and equivalence ratio. Increasing hydrogen concentration decreased the equivalence ratio, shifting it toward stoichiometric conditions. This trend resulted from hydrogen’s lower stoichiometric air requirement. As the mixture approached stoichiometry, laminar flame speed increased while quenching distance decreased, potentially reducing flashback resistance. Temperature measurements indicated that higher hydrogen concentrations led to an overall system temperature increase. Finally, measured air flow rates entrained by the burner were compared with theoretical values from the Pritchard model et al. . Results showed excellent agreement for both pure methane and methane/hydrogen mixtures when assuming friction coefficient values averaged from literature sources.

Questa tesi analizza il comportamento termico di un bruciatore domestico in diverse condizioni operative. Dopo una panoramica introduttiva sulle proprietà dell’idrogeno, viene presentata la campagna sperimentale condotta presso il Laboratorio di Diagnostica della Combustione e Ottica del Politecnico di Milano, campus Bovisa. I test sono stati eseguiti su un modello di piano cottura Glemgas U664VI, seguendo una procedura precisa per l'accensione, il monitoraggio e lo spegnimento dell’impianto sperimentale. I test preliminari hanno analizzato il comportamento termico del bruciatore e valutato il rapporto di equivalenza utilizzando prima gas naturale e successivamente metano puro. Le misurazioni iniziali hanno mostrato valori del rapporto di equivalenza compresi tra 1,7 e 1,8. Successivamente, sono state apportate modifiche all’impianto sperimentale per migliorare la precisione delle misure, riducendo l’ingresso incontrollato di aria e integrando un sistema di vaporizzazione. Dopo questi miglioramenti, il rapporto di equivalenza per il metano puro è stato misurato intorno a 2. Per studiare il comportamento termico, sono stati condotti test variando la portata di combustibile, la potenza e la posizione delle termocoppie all'interno del bruciatore. Tre termocoppie hanno misurato le temperature del corpo metallico, della miscela aria-combustibile e dell’aria entrante. Una termocoppia, inserita in un foro cieco sulla superficie laterale del bruciatore, ha misurato la temperatura del corpo metallico. Termocoppie aggiuntive, posizionate sul coperchio del bruciatore, sul corpo metallico e sul condotto di risalita, hanno registrato le temperature dei fluidi. I risultati hanno mostrato che la temperatura del corpo del bruciatore diminuiva con l’aumento della potenza operativa, una tendenza più marcata rispetto alle variazioni di temperatura dei fluidi. Inoltre, una maggiore profondità della termocoppia verticale ha portato a letture di temperatura inferiori, a causa della ridotta radiazione termica dalle parti metalliche. La termocoppia orizzontale ha registrato la temperatura minima dell’aria quando posizionata a metà strada tra il condotto di risalita e la corona esterna, minimizzando gli effetti radiativi. La temperatura del gas sopra il coperchio del bruciatore diminuiva con l’altezza a causa dell’entertainment di aria ambiente. Successivamente, sono stati esaminati il comportamento termico delle miscele metano-idrogeno e la variazione della frazione molare di idrogeno dal 0 al 50% in volume. I test sono stati condotti mantenendo la potenza del bruciatore costante a 1,75 kW, analizzando le variazioni del comportamento termico e del rapporto di equivalenza. Un aumento della concentrazione di idrogeno ha comportato una diminuzione del rapporto di equivalenza, spostandolo verso condizioni stechiometriche. Questa tendenza è dovuta al minore fabbisogno di aria stechiometrica dell’idrogeno. Con l’avvicinarsi alla stechiometria, la velocità della fiamma laminare aumentava mentre la distanza di spegnimento diminuiva, potenzialmente riducendo la resistenza al flashback. Le misurazioni della temperatura del sistema hanno rivelato che concentrazioni più elevate di idrogeno determinavano un aumento complessivo della temperatura. Infine, le portate d’aria entrante misurate sono state confrontate con i valori teorici del modello di Pritchard et al. I risultati hanno mostrato un’ottima concordanza, sia per il metano puro che per le miscele metano-idrogeno, assumendo valori dei coefficienti d’attrito mediati da quelli suggeriti in letteratura.