Diagnostica e controllo della combustione

L’ENEA ha sviluppato e mette a disposizione tecniche diagnostiche per la caratterizzazione della combustione, finalizzate allo sviluppo e messa a punto di combustori. Tali tecniche risultano tutte di tipo non invasivo, ovvero non perturbano il sistema in esame, e consentono lo studio e il controllo dei processi di combustione nella prospettiva della loro ottimizzazione sia energetica che ambientale. Esse permettono misure ad alta risoluzione, sia spaziale che temporale (frequenza), di velocità, temperatura e specie chimiche anche in condizioni di combustione turbolenta, tipica dei sistemi industriali, nonché l’analisi di stabilità di combustione per la diagnostica ed il controllo.

Elementi tecnici

Le metodologie in oggetto sono basate sull’uso di sorgenti laser, ove non si ricorra direttamente all’analisi della emissione ottica naturale della fiamma stessa, nel visibile e nell’ultravioletto. In virtù della tendenziale portabilità delle tecniche, esse permettono la sperimentazione su facility ENEA o dei partner.

Tecniche di velocimetria: utilizzano laser di tipo continuo o pulsato e permettono misure puntuali o bidimensionali (mappe) del campo di velocità anche in flussi turbolenti.

Tecniche di spettroscopia laser: permettono misure di temperatura e concentrazione di specie chimiche che caratterizzano la struttura della fiamma.

La remotizzazione del punto di misura, grazie all’uso di elementi ottici (lenti, specchi, fibre ottiche, ecc.), permette di superare problemi di accesso nei sistemi reali. Tuttavia, la necessità di misure ottiche impone il prelevamento del segnale tramite accessi che, in relazione alla tecnica impiegata, possono raggiungere dimensioni minime dell’ordine del mm².

Particolare menzione merita uno strumento ottico brevettato da ENEA, “sistema ODC”, realizzato per il monitoraggio delle condizioni operative di combustori, per l'identificazione in tempo reale di fenomeni precursori di instabilità, e per essere usato come sensore in loop di controllo, al fine di limitare comportamenti instabili del sistema ed aumentarne l’efficienza. Il sistema ODC è stato pensato come strumento per la diagnostica di processo, esso è pertanto utilizzabile in ambienti aggressivi, ad alta temperatura, in condizioni di pressione anche elevata.

Per ulteriori informazioni:

http://www.zeroemission.enea.it/video-en/combustion-laser-diagnostics-lab/view

http://www.zeroemission.enea.it/risorse/laboratorio-diagnostica-laser

Unità ENEA di riferimento

Unità Tecnica Tecnologie avanzate per l’Energia e per l’Industria – Centro Ricerche Casaccia

Referente

Stefano Giammartini, stefano.giammartini@enea.it

Tipologia di servizio: Servizi di Ricerca e Sviluppo

Segnale ottico di spettroscopia CARS, in funzione della frequenza (o energia), per la molecola di idrogeno. I segnali sono in corrispondenza biunivoca con la temperatura del gas (riportata in gradi Kelvin) , per questo motivo la tecnica si presta particolarmente a misure termometriche nelle fiamme

Figura a sinistra: immagine di una fiamma turbolenta inseminata con tracciante. La variazione di densità del tracciante è determinata dal fronte di fiamma (le zone a minor densità corrispondono ai reagenti; quelle a maggior densità indicano l’avvenuta combustione)

Figura a destra: particolare della zona in riquadro con sovrapposizione tra il campo di velocità (vettori) e quello di concentrazione di una specie chimica (radicale OH) che individua il processo di combustione (falsi colori)

Spettri della distribuzione di energia turbolenta misurati con sistema ODC (segnali nero e blu), e con trasduttore di pressione. Nelle figure, il segnale blu è relativo a condizioni di combustione stabile, quello nero è in condizioni di incipiente instabilità (sopra) e di instabilità conclamata (sotto). Il sistema ODC, rispetto ai tradizionali trasduttori di pressione, mette in luce capacità spiccate nella rivelazione dell’incipienza di fenomeni di instabilità distruttiva per la fiamma e per gli apparati (bruciatore), consentendo interventi correttivi