Analisi sperimentale di un mesocombustore a 3 bar mediante tecnica BOS

The interest in the development of miniaturized combustors is connected to the realization of portable power generation systems and small scale propulsion systems. These devices attempt to combine reliability, reduced size and weight with a range long enough to ensure a viable alternative to electrochemical batteries. The present paper describes experiments conducted on a meso-combustor operating at 3 bar in order to characterize the thermofluid dynamics field. The meso-combustor object of study has a cylindrical combustion chamber with a volume of 254 mm3, it is non-premixed, it is based on use of a whirl flow, and it makes use of air as oxidant and of propane or methane as fuel. The stability analysis made it possible to determine the field of flow rates and equivalence ratios in which a stable combustion of propane and air occurs. The measurement of the exhaust temperature and the flue gas analysis led to estimate the chemical efficiency of the combustor, that has been obtained by two different ways. In the first one the chemical efficiency was obtained as the ratio of molar fraction of CO2 to the sum of the molar fractions of CO and CO2 in the flue gas, in the second one the efficiency was obtained as the sum of the power lost in the reaction zone through heat transfer and the thermal power of the exhaust gas, divided by the thermal power input, which is defined as the product of mass flow rate and lower heating value of fuel. The thermal efficiency, defined as the ratio of the thermal power of the exhaust gases to the heat output of the combustion, and the total efficiency, the product of chemical and thermal efficiencies, were also calculated. The graphs of stability limits show a wider stable operating range for propane tests compared to methane tests, that were conducted previously on the same meso-combustor. In all operating conditions the power loss was high compared to the converted power, in agreement with the predictions for a small system. The trend in chemical efficiency as function of equivalence ratio Φ is decreasing and is independent of flow rate. This efficiency, calculated through the molar fractions of the products, has a maximum of 0.96 for the combustion of air and propane with Φ=0.8. The temperature of the exhaust gas reaches the maximum values around the stoichiometric equivalence ratio, with temperatures exceeding 1500 °C for the flow rate of 176E-6 kg/s (8 Nl/min). The application of the Background Oriented Schlieren optical technique (BOS) to the meso-combustor fed by propane and methane, both in the absence and presence of combustion, allowed measuring the angular deflections of the light rays passing through the combustion chamber; the field of the gradient of refractive index integrated along the line of sight corresponds to deflections. The Gladstone-Dale law establishes a relationship between refractive index, density and chemical composition, allowing to evaluate the deflection measured as a combined effect of pressure, temperature and composition gradients. In isothermal-state tests, the BOS made the mixing between fuel and air visible, while in combustion-state tests temperature gradients in the combustion chamber were displayed, since they dominate the effect of the chemical composition gradient. Moreover, the results of an experimental application of the BOS has been compared with the results of a numerical test, developed on the basis of CFD data, without obtaining full agreement. The images obtained with the BOS are the result of integration along the line of sight, parallel to the axis of the cylindrical chamber, so the results should be interpreted cautiously. The application to the meso-combustor in isothermal conditions highlights an area of the chamber, the upper part, in which the combination of air and fuel happens; there is a high turbulence intensity here compared to the central area, which is quiescent. The angular deflections are of the order of 10E-4 radians in the mixing zone and of 10E-5 in the central area. In the tests with combustor lit, mean deflections grow by an order of magnitude and the flame spread along the walls of the cylindrical chamber, where the fluid dynamic structures are more regular than in the mixing zone. In most operating conditions the areas with bigger density gradients form a circular ring close to the walls. The experiments have produced results that contribute to the characterization of the meso-combustor and that may be useful for the validation of CFD simulations of its thermofluid dynamic field.

L'interesse nello sviluppo di combustori miniaturizzati è connesso alla realizzazione di sistemi di generazione di potenza portatili e sistemi di propulsione su scala ridotta. Questi dispositivi cercano di coniugare affidabilità, dimensioni e pesi ridotti con un'autonomia sufficientemente elevata da garantire una valida alternativa alle batterie elettrochimiche. Il presente lavoro descrive la sperimentazione condotta su un meso-combustore operante a 3 bar al fine di caratterizzarne il campo termofluidodinamico. Il meso-combustore oggetto di studio ha una camera di combustione cilindrica di 254 mm3 di volume, è di tipo non premiscelato, è progettato per un flusso a whirl e utilizza come ossidante aria e come combustibile propano o metano. L'analisi di stabilità ha consentito di determinare il campo di portate e rapporti di equivalenza in cui è possibile una combustione stabile di propano e aria. La misura della temperatura di scarico e l'analisi della composizione dei fumi hanno condotto alla stima dell'efficienza chimica del combustore, ricavata in due modi distinti. Nel primo modo l'efficienza è stata ricavata come rapporto tra la frazione molare di CO2 e la somma delle frazioni molari di CO e CO2 nei gas combusti; nel secondo modo l'efficienza è stata valutata come somma della potenza persa nella zona di reazione per scambio termico e della potenza termica dei gas di scarico, divisa per la potenza termica in ingresso, la quale è definita come prodotto tra portata massica e potere calorifico inferiore del combustibile. Sono state inoltre calcolate l'efficienza termica, come rapporto tra potenza termica dei gas di scarico e potenza termica rilasciata dalla combustione, e l'efficienza totale, prodotto tra efficienza chimica e termica. I grafici dei limiti di stabilità mostrano un campo di funzionamento stabile più ampio per le prove a propano rispetto alle prove a metano, condotte in precedenza sullo stesso meso-combustore. In tutte le condizioni operative la potenza persa è risultata elevata in proporzione a quella termica associata ai gas di scarico, in accordo con le previsioni per un sistema di piccole dimensioni. L'andamento dell'efficienza chimica in funzione del rapporto di equivalenza Φ è decrescente e indipendente dalla portata totale; quest'efficienza, calcolata con le frazioni molari dei prodotti, ha un massimo di 0.96 per la combustione di aria e propano a Φ=0.8. La temperatura dei gas di scarico raggiunge i valori massimi intorno al rapporto di equivalenza stechiometrico, con temperature che superano i 1500°C per la portata di 176E-6 kg/s (8 Nl/min). L'applicazione della tecnica ottica Background Oriented Schlieren (BOS) al meso-combustore alimentato a propano e a metano, in assenza e in presenza di combustione, ha permesso di misurare le deflessioni angolari dei raggi di luce passanti nella camera di combustione; alle deflessioni corrisponde il campo del gradiente di indice di rifrazione integrato lungo la linea di vista. La legge di Gladstone-Dale lega indice di rifrazione, densità e composizione chimica, permettendo di valutare la deflessione misurata come un effetto combinato dei gradienti di pressione, temperatura e composizione. Nelle prove isoterme si rende visibile la miscelazione tra combustibile e aria, mentre nelle prove in combustione si visualizzano i gradienti di temperatura nella camera di combustione, che dominano sull'effetto del gradiente di composizione chimica. Si è poi confrontato il risultato di una applicazione sperimentale della BOS con quello di una BOS numerica, ottenuta a partire dai dati di una simulazione CFD, senza ottenere una piena corrispondenza. Le immagini ricavate con la BOS sono frutto di integrazione lungo la linea di vista, parallela all'asse della camera cilindrica, pertanto i risultati devono essere interpretati con cautela. L'applicazione al meso-combustore in condizioni isoterme evidenzia una zona della camera, la parte superiore, in cui avviene la combinazione di aria e combustibile; si ha qui un'intensa miscelazione rispetto alla zona centrale, quiescente. Le deflessioni angolari risultano dell'ordine di 10E-4 radianti nella zona di miscelazione e di 10E-5 nella zona centrale. Nelle prove a combustore acceso le deflessioni medie crescono di un ordine di grandezza e la fiamma si sviluppa lungo le pareti della camera cilindrica, dove le strutture fluidodinamiche risultano più regolari rispetto alla zona di miscelazione; nella maggior parte delle condizioni operative le aree con i gradienti di densità maggiori formano una corona circolare a ridosso delle pareti. La sperimentazione ha prodotto risultati che contribuiscono alla caratterizzazione del meso-combustore e che potranno essere utili per la validazione di simulazioni CFD del suo campo termofluidodinamico.