Analisi delle prestazioni di un mesocombustore non premiscelato a pressioni di 1-3 bar

The thesis in question, performed at the Combustion Laboratory of the Politecnico di Milano, has the objective to determine the stability limits and efficiency of a swirl meso-combustor not premixed, methane powered, at two different working pressures: 1,01 bar and 3 bar. It is essential, for the purposes of a future application in the field of micro-generation, to determine the range of operation depending the total flow rate and equivalence ratio (Φ), where the meso-combustor remains turned on. As many important is the calculation of efficiency. In this regard we have developed a parametric model of heat transfer meso-combustor, which allows to estimate the power lost by radiation and convection. The entire experiment was performed by placing the meso-combustor within a closed chamber in which a given flow rate of nitrogen is introduced. This solution was adopted to prevent further combustion immediately after unloading. In this way a more accurate measure of the temperature of the exhaust gases has been performed in proximity of the exit of the meso-combustor. Moreover in this chamber has been possible to perform the test at 3 bar. The stability limit, both lower and upper, were determined imposing the total flow and varying Φ up to the extinction of the flame. For each value of Φ, that is for each combination of fuel and oxidant flow, is expected depletion of the thermal transitory of meso-combustor (constant wall temperature) before moving to the next test with another value of Φ. This procedure was performed until to the extinction of the flame, therefore to determine the stability limit for the given total flow. It was performed the analysis of exhaust gases exiting from the chamber, with which it was possible to measure concentrations of CO, CO2, O2 and products of incomplete combustion (Unburned HydroCarbons UHC). The data obtained from the analysis of the combustion gases are then processed to calculate efficiency of the meso-combustor. With the purpose of a correct analysis of the results it was performed a complete analysis of measurement errors by using the theory of propagation of uncertainties.

Il lavoro di tesi in oggetto, eseguito presso il Laboratorio di Combustione del Politecnico di Milano, si pone l’obbiettivo di determinare i limiti di stabilità e le efficienze di un mesocombustore swirlato non premiscelato, alimentato a metano, a due diverse pressioni di lavoro: 1 bar e 3 bar. È essenziale, ai fini di una futura applicazione nel settore della microgenerazione, determinare il campo di funzionamento in funzione della portata totale e del rapporto di equivalenza (Φ), in cui il mesocombustore rimane acceso. Altrettanto importante è il calcolo dei rendimenti con lo scopo di trovare i punti di funzionamento a massima efficienza. A tal proposito è stato sviluppato un modello di scambio termico di tipo parametrico per il mesocombustore, che permetta di stimare le potenze perse per irraggiamento e convezione. L’intera sperimentazione è stata eseguita posizionando il mesocombustore all’interno di una camera chiusa in cui viene erogata una determinata portata di azoto. In tale camera è stato possibile raggiungere la pressione di 3 bar ed eseguire le relative prove. I limiti di stabilità, sia inferiore che superiore, sono stati determinati imponendo la portata totale e facendo variare Φ, fino all’estinzione della fiamma. Per ogni valore di Φ, ovvero per ogni combinazione di portata di combustibile ed ossidante, si è aspettato l’esaurimento del transitorio termico del mesocombustore (temperatura di parete costante) prima di passare alla prova successiva con un altro valore di Φ. Tale procedura è stata seguita fino allo spegnimento della fiamma e quindi fino alla determinazione del limite di stabilità per quella determinata portata totale. Si è effettuata l’analisi dei fumi allo scarico della camera, con la quale è stato possibile ottenere le concentrazioni di CO, CO2, O2 e prodotti di combustione incompleta (TUHC Total Unburned Hydrocarbons). I dati ottenuti dall’analisi dei gas combusti sono stati successivamente elaborati per calcolare i rendimenti relativi del mesocombustore. Al fine di una corretta analisi dei risultati è stata eseguita una completa analisi degli errori di misura utilizzando la teoria della propagazione delle incertezze.