Ottimizzazione termofluidodinamica di sistemi industriali di post-combustione

Le problematiche affrontate nella presente tesi sono sia di carattere fluidodinamico che di combustione e sono relative ai sistemi di post-combustione, installati a valle di gruppi turbogas per la produzione di energia elettrica. Queste riguardano sia l'ottimizzazione del flusso di gas esausti nel condotto divergente di collegamento turbina a gas-caldaia a recupero, sia la progettazione di tipologie di post-bruciatore con buone prestazioni. Nel primo caso si ਠindagato sulla possibilità  di ottenere un profilo di velocità  uniforme a monte dei bruciatori, in maniera da garantirne un corretto funzionamento, attraverso l'introduzione all'imbocco del condotto divergente di un unico set di deviatori di flusso. Inizialmente l'indagine ਠstata condotta su una geometria di divergente di tipo tradizionale. Con l'obiettivo di raggiungere risultati ancora migliori, si ਠandati in cerca di una geometria innovativa. L'obiettivo ਠstato raggiunto, con l'individuazione di una particolare configurazione di condotto, in grado di garantire parametri prestazionali superiori. I gas scaricati dalla turbina, possono essere inviati parzialmente o completamente alla caldaia a recupero. Nel primo caso una valvola detta diverter, solo parzialmente aperta, viene utilizzata per by-passare i gas e inviarli verso il primo camino. Per le portate e le velocità  in gioco, il diverter ਠsoggetto ad azioni dinamiche a carattere oscillatorio, generate dalla formazione ed il successivo distacco di vortici soprattutto dalla superficie in “ombra” dello stesso. La valutazione dell'andamento di tali azioni diventa elemento fondamentale per una corretta progettazione del sistema e degli annessi organi di movimentazione. Si ਠproceduto pertanto in questa direzione, sperimentando numericamente differenti situazioni al variare delle velocità  e del grado di apertura del diverter. Nel secondo caso si ਠproceduto al confronto di alcune tipologie di post-bruciatore, risultato di un indagine sulle configurazioni disponibili sul mercato e di una pre-ottimizzazione delle stesse da noi effettuata. A partire dalle tipologie pi๠semplici fino ad arrivare a quelle pi๠sofisticate, sono state valutate meticolosamente le caratteristiche di funzionamento, in tutte le possibili condizioni. Al termine di questa indagine ਠstato possibile individuare con precisione quale di queste prevale sulle altre, in termini di qualità  e uniformità  di comportamento nelle differenti situazioni. Il contributo pi๠innovativo e di maggiore originalità  di questo lavoro, ਠsenza dubbio da ricercare nella progettazione di sistemi avanzati di post-bruciatori. Un grosso sforzo ਠstato fatto nella individuazione di apparecchiature che unissero i vantaggi di forti incrementi di potenza, con contenute perdite di carico e ingombri modesti. In particolari sono stati progettati due sistemi di questo tipo. Per i dati di portata, composizione e temperatura dei gas di scarico dalla turbina a gas, si ਠsempre fatto riferimento a quelli di un impianto di cogenerazione a turbina a gas da 5 MW elettrici e 8 MW termici. Un primo sistema rappresenta una evoluzione del sistema tradizionale di bruciatori a bluff-body. Si presenta comunque pi๠compatto, in quanto permette, a differenza del sistema tradizionale descritto nell'introduzione, di eliminare il condotto divergente e soprattutto gli annessi dispositivi di uniformizzazione del flusso. Il secondo sistema progettato ਠancora pi๠semplice. Si tratta in pratica di un condotto swirlante, con un'unica immissione di combustibile al centro. Anche in questo caso non c'ਠbisogno di condotto divergente e complessivamente, ha dimensioni inferiori rispetto a quello precedente. Tutte le analisi sono state effettuate con l'ausilio di software CFD (computational fluid dynamics) utilizzando i pi๠recenti modelli numerici di turbolenza, combustione e scambio termico.