Analisi delle prestazioni di un mesocombustore mediante spettroscopia FT-IR

In the present work of Thesis the performances of a meso-scale combustor fed with a mixture of propane/air are studied. The combustor is essentially characterized by a cylindrical chamber volume of 254 mm3 with radial entry for the fuel and tangential to the combustion air, in order to favor the establishment of a motion of swirl within the chamber. The effects of pressure at different flow-rates and at variable equivalence ratios on the stability and performances of the device are analyzed. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) is employed as screening technique for the analysis of the exhausts. A significant part of the thesis work has focused on the calibration of FT-IR measurements with respect to both experimental measurements and the development of calculation program for quantitative analysis of the concentrations of species involved in the process of combustion. The experiment was conducted at atmospheric pressure and 3 bar. Together with the experimental part, was carried out a numerical analysis using the calculation code Dsmoke (developed by the CMIC department of the Politecnico di Milano) to simulate a ideal reactor C.S.T.R. (Continuously Stirred-Tank Reactor), zero-dimensional and perfectly mixed. In this simple model the chemical behavior of the reagents is analyzed neglecting the fluid dynamics of the system itself. Experimental data related both to the range of stability of the meso-combustor and to the chemical efficiency of the experimental conditions in study were compared with the results of the relative numerical analysis. The experimental work of this thesis was conducted at the laboratories IENI (Institute for Energy and Interphases) of CNR in Milan.

Scopo del presente lavoro di tesi è lo studio delle prestazioni di un combustore di scala micrometrica alimentato con una miscela propano/aria. Il combustore in oggetto è essenzialmente caratterizzato da una camera cilindrica del volume di 254 mm3 con ingresso radiale per il combustibile e tangenziale per il comburente, così da favorire l’instaurarsi di un moto di swirl all’interno della camera stessa. L’analisi sperimentale è stata realizzata per diversi rapporti di equivalenza e al variare della portata totale dei gas di alimentazione. In queste condizioni sono stati investigati i limiti di stabilità e l’efficienza chimica del meso-combustore. A tale scopo è stata utilizzata la tecnica di Spettroscopia Infrarossa in Trasformata di Fourier (FT-IR) per analizzare i gas allo scarico del sistema di combustione e misurare le relative concentrazioni. Una parte significativa del presente lavoro di tesi ha riguardato appunto la calibrazione delle misure FT-IR sia relativamente alle misure sperimentali sia per la messa a punto del programma di calcolo per l’analisi quantitativa delle concentrazioni delle specie coinvolte nel processo stesso di combustione. La sperimentazione è stata condotta a pressione atmosferica e a 3 bar. Parallelamente alla parte sperimentale, è stata realizzata un’analisi numerica utilizzando il codice di calcolo DSMOKE (sviluppato dal dipartimento CMIC del Politecnico di Milano) per simulare un reattore ideale C.S.T.R. (Continuously Stirred-Tank Reactor) perfettamente miscelato e zero-dimensionale. Evidentemente in tale modello semplificato viene analizzato il comportamento chimico dei reagenti trascurando la fluidodinamica del sistema stesso. I dati sperimentali riguardanti sia l’intervallo di stabilità del meso-combustore che l’efficienza chimica nelle condizioni sperimentali in studio sono stati quindi confrontati con i risultati della relativa analisi numerica. L’attività sperimentale del presente lavoro di tesi è stata realizzata presso i laboratori -IENI (Istituto per l’Energetica e le Interfasi) del CNR di Milano.