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    Claudia CAROTENUTO

    Insegnamento di COMBUSTIONE

    Corso di laurea magistrale in INGEGNERIA AEROSPAZIALE

    SSD: ING-IND/24

    CFU: 6,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 48,00

    Periodo di Erogazione: Primo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    Italiano

    Contenuti

    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.

    Testi di riferimento

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

    Obiettivi formativi

    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.

    Prerequisiti

    Basi di Chimica, Termodinamica e Fluidodinamica.

    Metodologie didattiche

    Lezioni frontali. Teoria ed esercizi.

    Metodi di valutazione

    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.

    Altre informazioni



    Programma del corso

    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).
    IDROCARBURI
    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
    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.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    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.

    Textbook and course materials

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

    Course objectives

    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.

    Prerequisites

    Chemistry, Thermodynamics, Fluidodynamics.

    Teaching methods

    Oral lectures. Theory and exercises.

    Evaluation methods

    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.

    Other information



    Course Syllabus

    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
    HYDROCARBONS
    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
    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.

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