Italiano

Stechiometria tecnica. Cenni di termodinamica di miscele e trasporto di materia. Fiamme premiscelate. Fiamme a diffusione.
Per i soli studenti di Ing. per l’Energia e l’Ambiente: Formazione di inquinanti e trattamento dei fumi.

“Combustion”, K.K. Kuo, Wiley’s Interscience
“An Introduction to Combustion: Concepts and Applications”, S.R Turns, McGraw-Hill.
“Combustione”, C. Ortolani, Maggioli Editore

Far acquisire agli allievi i principi primi della combustione. Si intende fornire loro il linguaggio tecnico della combustione e la capacità di trattare problemi in cui sono coinvolte reazioni di combustione sia quando i reagenti sono premiscelati sia quando sono inizialmente segregati. Si introducono i meccanismi di formazione e rimozione degli inquinanti derivanti dai processi di combustione. Si privilegia l’approccio tecnico.

Basi di Chimica, Termodinamica e Fluidodinamica.

Lezioni frontali. Teoria ed esercizi.

Prova Orale.
La prova orale è organizzata in due fasi.
Nella prima fase viene richiesto lo svolgimento di un esercizio (analogo a quello proposto durante le lezioni frontali) volto ad accertare la conoscenza (teorica e pratica) della equazione generale della combustione.
Nella seconda fase vengono poste allo studente delle domande volte ad accertare la conoscenza dei principali processi di combustione.

BILANCI DI MATERIA
Definizione di Volume di Controllo. Equazione di bilancio di materia senza e con reazione, su base massica e molare. Bilancio di materia globale e bilancio di materia parziale (sulle singole specie coinvolte nel processo di combustione).
COMBUSTIBILI
Elenco delle principali tipologie di indrocarburi, CxHy, di rilievo nei processi di combustione. Nomenclatura di Alcani, Cicloalcani, Alcheni, Alchini, Alcoli, Aromatici.
EQUAZIONE GENERALE DELLA COMBUSTIONE
Definizione della simbologia tecnica. Definizione della composizione della miscela combustibile-comburente: rapporto relativo di miscela, rapporto di equivalenza, eccesso di aria.
Equazioni di bilancio e di equilibrio chimico ai fini della determinazione della composizione dei fumi, su base secca e su base umida, per combustibili puri, miscele gassose, miscele solide.
TEMPERATURA ADIABATICA DI FIAMMA
Richiami di termodinamica. Primo principio, calore specifico, Delta H di reazione; bilanci di energia. Temperatura adiabatica di fiamma frozen e di equilibrio.
CINETICA CHIMICA E MECCANISMI RADICALICI
Richiami di cinetica chimica. Velocità di reazione, ordine di reazione, Legge di Arrhenius. Reazioni in serie, in parallelo, in serie-parallelo. Meccanismi di reazione radicalici: Iniziazione, propagazione, ramificazione e terminazione.
LIMITI DI IGNIZIONE E CONDIZIONI DI ESPLOSIONE
Alfa critico per l'esplosione. Limiti di ignizione per la miscela H2-O2. Cenni su reattori ideali.
FIAMME LAMINARI PREMISCELATE.
Definizione della velocità di fiamma premiscelata laminare, SL (Speed Laminar). Accenno ai metodi sperimentali per la determinazione della SL. Modello di Mallard & Le Chatelier. Modello di Spalding. Effetto di variabili chimiche e fisiche sulla velocità di fiamma laminare premiscelata. Limiti di infiammabilità in aria, in aria arricchita di ossigeno e in ossigeno puro. Effetto estinguenti sul limite inferiore e superiore di infiammabilità. Quenching ed Ignizione di fiamma. Primo e Secondo criterio di Williams. Stima della Distanza di Quenching. Stima della Minima Energia di Ignizione. Stabilità di fiamma. Condizioni limite per Blow-off e Flash back.
DEFLAGRAZIONE – DETONAZIONE
Comparazione dei parametri chimico-fisici (velocità di fiamma, pressione, temperatura, densità, …) in processi deflagrativi/detonativi.
Modello di Chapman. Retta di Rayleigh, Curva di Rankine-Hugoniot.
TRASPORTO DI MATERIA
Legge di Fick e bilancio di materia differenziale. Convezione forzata. Correlazioni fra Sh, Re e Sc e analogia con Nu=f(Re, Pr).
Integrazione modello fenomenologico per la evaporazione della goccia. Numero di Grashof. Analogia trasporto materia-calore. Numero di Biot.
EVAPORAZIONE SINGOLA GOCCIA
Introduzione al problema della goccia che evapora. Modello di Spalding senza reazione (goccia che evapora) e con reazione chimica (goccia che brucia).
FIAMME A DIFFUSIONE
Analisi fenomenologica delle fiamme a diffusione. Stima della lunghezza di fiamma laminare e turbolenta. Modello di Spalding per il getto diffusivo. Modello di Spalding per la fiamma reattiva.

I seguenti argomenti sono relativi al corso di Combustione per i soli studenti di Ing. per l’Energia e l’Ambiente.

INQUINANTI
Inquinanti primari e secondari. Cenni sugli effetti dei principali inquinanti su salute e ambiente. Quantificazione delle emissioni inquinanti; unità di misura tipicamente usate per descriverne la concentrazione; Emission Index e Mass Specific Emission.
Ossidi di azoto, NOx. Meccanismi di formazione degli thermal NOx (meccanismo di Zeldovich), prompt NOx, fuel NOx.
Ossidi di zolfo, SOx.
Monossido di Carbonio, CO.
Idrocarburi incombusti, HC.
Particolato, PM. Varie forme, dimensioni e distribuzioni dimensionali di particolato. Particolato grossolano, fine, ultrafine. Diametro sferico equivalente. Curva di distribuzione di frequenza e curva di distribuzione cumulata. Descrizione dei processi di formazione delle varie classi di particolato: soot (ossia Elemental Carbon EC, Black Carbon, BC, nerofumo). Organic Carbon (OC) e Organic Matter (OM). Solfati. Polveri.
TRATTAMENTO DEI FUMI DI COMBUSTIONE
Cenni alle principali tecnologie esistenti per la rimozione di inquinanti da vari processi di combustione e da vari combustibili.

Italian

Technical stoichiometry of combustion. Short introduction on thermodynamics of mixtures and on mass transfer. Premixed flames. Diffusion flames.
For students of Engineering for Energy and Environment: Pollutant formation and exhaust gas treatments.

“Combustion”, K.K. Kuo, Wiley’s Interscience
“An Introduction to Combustion: Concepts and Applications”, S.R Turns, McGraw-Hill.

Knowledge of the principles of combustion. The course teaches the combustion technical language and gives the ability to face different problems involving combustion reactions. Both premixed and diffusion flames are presented. The formation mechanisms of pollutants and their possible removal strategies are discussed. A technical approach is followed.

Chemistry, Thermodynamics, Fluidodynamics.

Oral lectures. Theory and exercises.

Oral exam.
The oral exam is dividend in two phases. In the first one, the student has to solve an exercise (similar to those done during lessons) regarding the general combustion equation. In the second exam phase, the student has to answer to some questions to demonstrate the knowledge of the principal combustion process.

MASS BALANCE
Definition of Control Volume. Mass balance equation without and with chemical reaction, on gravitational and molar basis. Global mass balance and partial mass balance
FUELS
List of the main types of hydrocarbons, CxHy, relevant in combustion processes. Nomenclature of Alkanes, Cycloalkanes, Alkenes, Alkynes, Alcohols, Aromatics.
GENERAL COMBUSTION EQUATION
Definition of technical symbols. Definition of the composition of the fuel-oxygen mixture: relative mixture ratio, equivalence ratio, air excess.
Mass balance equations and chemical equilibrium equations for the determination of the composition of the exhaust gas, on dry basis and wet basis, for different kind of fuels.
ADIABATIC FLAME TEMPERATURE
Review of thermodynamics. First principle, specific heat, reaction Delta H; energy balances. Adiabatic flame temperature.
CHEMICAL KINETICS AND RADICAL MECHANISMS
Review of chemical kinetics. Speed ​​of reaction, order of reaction, Arrhenius's law. Reactions in series, in parallel, in series-parallel. Radical reaction mechanisms: initiation, propagation, branching and termination.
IGNITION LIMITS AND EXPLOSION CONDITIONS
Critical alpha for the explosion. Ignition limits for the H2-O2 mixture. Notes on ideal reactors.
PREMIXED LAMINAR FLAMES.
Definition of the laminar premixed flame speed, SL. Experimental methods for determining SL. Mallard & Le Chatelier model. Spalding model. Effect of chemical and physical variables on the premixed laminar flame speed. Flammability limits in air, in oxygen-enriched air and in pure oxygen. Effect of additive on the lower and upper flammability limits. Quenching and flame ignition. First and Second Williams criteria. Estimation of the Quenching Distance. Estimate of Minimum Ignition Energy. Flame stability. Blow-off and flash back.
DEFLAGRATION - DETONATION
Comparison of chemical-physical parameters (flame speed, pressure, temperature, density, ...) in deflagration/detonative processes. Chapman's model. Rayleigh line, Rankine-Hugoniot curve.
MASS TRANSPORT PHENOMENA
Fick's law and differential mass balance. Forced convection. Correlations between Sh, Re and Sc and analogy with Nu = f (Re, Pr).
Phenomenological model for drop evaporation. Grashof's number. Analogy between mass and heat transfer. Biot number.
SINGLE DROP EVAPORATION
Introduction to the problem of the evaporating drop. Spalding model without reaction (evaporating drop) and with chemical reaction (burning drop).
DIFFUSION FLAMES
Phenomenological analysis of diffusion flames. Estimation of the laminar and turbulent flame length. Spalding model for the diffusive jet. Spalding model for reactive flame.

The following topics are only for the students in Engineering for Energy and Environment.

POLLUTANTS
Primary and secondary pollutants. Notes on the effects of the main pollutants on health and environment. Quantification of emissions; units of measurement typically used to describe their concentration; Emission Index and Mass Specific Emission.
Nitrogen oxides, NOx. Formation mechanisms of thermal NOx (Zeldovich mechanism), prompt NOx, fuel NOx.
Sulfur oxides, SOx.
Carbon monoxide, CO.
Unburned hydrocarbons, HC.
Particulate matter, PM. Various shapes, dimensions and particle size distributions. Coarse, fine, ultra-fine PM. Equivalent spherical diameter. Frequency distribution curve and cumulative distribution curve. Description of the formation processes of the various particulate classes: soot (Elemental Carbon EC, Black Carbon, BC, carbon black). Organic Carbon (OC) and Organic Matter (OM). Sulphates. Ash.
TREATMENT OF EXHAUST GASES
Outline of the main technologies for the removal of pollutants from various combustion processes and from various fuels.