Camera di combustione

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1leftarrow blue.svgVoce principale: Reattore chimico.

La camera di combustione è un reattore in cui si realizza la combustione di un combustibile con il comburente e può quindi essere parte di un motore oppure del generatore di vapore di una centrale termoelettrica, nel qual caso si parla più correttamente di combustore. All'interno della classe dei motori esistono due tipologie molto diverse di camera di combustione, l'una relativa ai motori "volumetrici" (motori a combustione interna sia alternativi che rotativi Wankel), l'altra relativa a motori a "flusso continuo" o turbina a gas (e in tal caso viene anche detta "combustore" o "combustore aeronautico", stante l'ormai indiscussa egemonia delle turbine a gas nel campo aeronautico).

Bilancio e rendimento[modifica | modifica wikitesto]

Essendo la combustione in camera isobara, si ha che il calore ha un differenziale esatto, e corrisponde alla funzione di stato entalpia: , che integrata in coordinate euleriane all'intera camera, con corrente f di combustibile e a di aria separate in ingresso, e corrente o di fumi con eventuali incombusti in uscita, essendo Q il calore: , rapportando tutto alla portata mf di combustibile in ingresso e definendo il rapporto di alimentazione dove w indica la frazione massica:

,

ora riferendoci alle entalpie standard di formazione, poiché , si ottiene, indicando con la frazione termica persa alle pareti:

,

dove, detto l'utilizzo termico del combustibile in cui fb è il combustibile bruciato, e il rapporto di equivalenza in cui at è l'aria teorica vale: , si arriva all'espressione finale ingegneristica:

,

Definendo ora il rendimento termico della camera la sua capacità di conversione del potere calorifico inferiore del combustibile ΔcHi0 in salto entalpico disponibile alla conversione meccanica diretta o previo scambio termico,:

,

poiché nell'equazione di bilancio ingegneristica: , si ottiene la formula dei 3 fattori:

,

in base a cui il rendimento è l'utilizzo termico realizzabile nella camera al netto delle perdite relative alle pareti della camera. Se poi il comburente ha entalpia di formazione nulla, come succede per l'aria tecnica, si semplifica quanto detto con:

,

Principali differenze tra un motore volumetrico e un motore a flusso continuo[modifica | modifica wikitesto]

Oltre alle ovvie differenze costruttive, anche il processo di combustione è significativamente diverso tra le due tipologie.

  • In un motore volumetrico sia la compressione del fluido che la sua espansione avvengono per variazione di volume, e in ognuna delle fasi è lecito ipotizzare che il fluido sia mediamente fermo (a meno di moti turbolenti). In una turbina a gas lo scambio di lavoro nella turbina e nel compressore avviene per variazione della quantità di moto, le due macchine e di conseguenza anche il combustore sono quindi attraversate da un fluido con una notevole velocità.
  • In un motore volumetrico la miscela di gas da incendiare è confinata in uno spazio ristretto, tra cilindro e pistone, e quando avviene la combustione la pressione sale quasi istantaneamente, mentre in un turboreattore aria e combustibile passano attraverso la camera di combustione e quando la miscela s'incendia è la temperatura che sale repentinamente, mentre la pressione varia di poco.
  • Un'altra differenza con il motore volumetrico risiede nel fatto che in quest'ultimo le 3 fasi del ciclo aperto (compressione combustione espansione) sono localizzate nella stessa zona, alternandosi temporalmente, l'innalzamento termico quindi interessa meno di un tempo su quattro nei motori quattro tempi, le tre fasi nei turboreattori sono invece distribuite spazialmente, la combustione quindi è continua e l'innalzamento termico del flusso è assai elevato. È per questo motivo che il motore a pistoni lavora con miscele nell'intorno dello stechiometrico (motori ad accensione comandata) o comunque con leggeri eccessi d'aria (motori ad accensione per compressione) mentre il turboreattore lavora con forti eccessi d'aria, necessitando di una consistente "diluizione termica".

In un motore volumetrico[modifica | modifica wikitesto]

Studio della combustione omogenea (HCCI)

In pratica, nella camera di combustione di un motore volumetrico (4T, 2T, Wankel), delimitata dal cilindro, pistone e testa del gruppo termico.

La camera di combustione deve avere determinate caratteristiche:

  • Permettere un rapido processo di combustione che massimizzi il rendimento, massimizzi la potenza specifica, minimizzi la dispersione ciclica, migliori le emissioni nocive.
  • Evitare il fenomeno della preaccensione.
  • Evitare il fenomeno della detonazione, che causa il battito in testa
  • Limitare le perdite termiche di calore attraverso le pareti, per ottimizzare il rendimento termico globale.
  • Possedere una richiesta ottanica adeguata, per poter sfruttare il massimo rapporto di compressione e/o utilizzare combustibili di minor pregio.
  • Possedere (nel caso del motore a ciclo otto) un elevato coefficiente di riempimento (quindi massimizzare il rendimento volumetrico), nelle condizioni di massima ammissione.

Caratteristiche[modifica | modifica wikitesto]

La camera di combustione definisce il rapporto di compressione, cosa che è molto importante, perché determina la velocità di combustione della miscela aria/benzina, dove aumentando tale rapporto di compressione si migliora la combustione e la si velocizza, permettendo d'utilizzare anticipi d'accensione minori.

Il tempo di combustione viene modificato da due fattori, che sono:

  • Le turbolenze, generate dalla fluidodinamica del gruppo termico, dove migliorano la velocità di combustione perché la miscelazione del combustibile e comburente viene ulteriormente migliorata
  • Velocità di combustione, modificata dal tipo di comburente, combustibile e dalla loro miscelazione, che rimane costante durante il funzionamento a regime del motore.

Quindi se entrambi rimangono costanti a tutti i regimi di funzionamento, bisognerebbe raddoppiare l'anticipo con il raddoppiare del regime, mentre non è così, dato che le turbolenze aumentano con l'aumentare dei regimi, di conseguenza arrivati a un certo regime si dovrà ridurre l'anticipo invece che aumentarlo con l'aumentare dei regimi.

Tipologia di combustione[modifica | modifica wikitesto]

Generalmente la combustione si innesca in un dato istante (definito dall'accensione per i motori ad accensione comandata, fasatura d'iniezione per molti motori ad accensione spontanea) e nella quasi totalità dei casi in un punto ben preciso della camera di combustione (candela o getti dell'iniettore), sviluppando il fronte di fiamma

Il fronte di fiamma è una superficie ideale che separa ciò che è combusto da ciò che deve ancora bruciare e "viaggia" all'interno della camera ad una velocità di alcuni ordini di grandezza superiore a quella del fluido contenuto (che può, con buona approssimazione, essere considerato fermo), costituito da una miscela di comburente e combustibile. Allo stesso modo dentro tale camera si sviluppano temperature dell'ordine dei 2.000-2.500 °C e picchi di pressioni che a seconda del motore vanno dai 80 ai 130 bar[1], nel caso dei motori ad accensione comandata ad una sola scintilla la propagazione della combustione è molto simile ad una sfera[2]

Ma esistono anche dei sistemi dove non esiste tale fronte di fiamma e questo tipo di combustione è denominata HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition), dove un motore a ciclo otto (accensione comandata) funziona tramite il sistema ad accensione spontanea, ottenendo una combustione estremamente rapida e contemporaneamente in tutta la camera di combustione[3][4], una tipologia di motore che sfrutta tale soluzione una volta raggiunto il regime termico di funzionamento è il motore Bourke, mentre nel ciclo diesel si ha una combustione simile con i modelli a testa calda, all'inizio del terzo millennio vennero ideati dei motori che funzionavano in modo alternato come motori ad accensione comandata o HCCI, come il diesotto[5], tale tecnologia venne utilizzata anche in Formula 1 a partire dal 2015 dalla Mercedes[6].

Motori a fasatura fissa[modifica | modifica wikitesto]

Tale camera diventa importante nei motori ad accensione comandata a fasatura fissa, dove la differente velocità di combustione della miscela aria/benzina non permette d'avere il massimo rendimento ottenibile a tutti i regimi, quindi modificando la camera di combustione e quindi anche il rapporto di compressione con una diversa testata si modifica la velocità di combustione e quindi anche la fascia di regimi motore dove si ha la combustione completa al PMS (punto morto superiore). Più precisamente se si ha:

  • Basso rapporto di compressione, si migliorano gli alti regimi (oltre gli 8000 giri minuto)
  • Alto rapporto di compressione, si migliorano i bassi regimi (tra i 3000 e gli 8000 giri minuto)

Motori a fasatura variabile[modifica | modifica wikitesto]

Per quanto riguarda i motori ad accensione comandata a fasatura variabile e i motori diesel, maggiore è il rapporto di compressione che tali camere forniscono e maggiore sarà il rendimento del motore, dato che così si aumenta la PME (pressione media effettiva) del motore, ovviamente sarà necessario spostare l'intera fasatura in ritardo dato il miglioramento della combustione.

Accensione a getto turbolento o Turbulent Jet Ignition[modifica | modifica wikitesto]

Si tratta di un sistema che permette di velocizzare la propagazione del fronte di fiamma, tramite un sistema a precamera, dove avviene l'iniezione e l'accensione, tale precamera alloggia infatti sia l'iniettore che la candela d'accensione, il tutti viene accompagnato ad un tipo di combustione stratificata, infatti l'iniezione che permette l'immissione di circa il 97% del combustibile nella camera di combustione, permette d'avere una miscela magra e al contempo un miscela ricca in precamera, quando avviene l'accensione la combustione che avviene nella precamera si viene a creare una colonna turbolente molto rapida che percorre la camera di combustione, permettendo di abbattere i tempi di combustione, di ridurre gli inquinanti prodotti e permette l'uso di rapporti stechiometrici molto più poveri di combustibile. I primi studi di tale sistema avvennero nel 2010, mentre i brevetti vennero presentati nel 2012 e le prime applicazioni nel 2015 in formula 1 con le motorizzazioni Ferrari[7][8][9][10][11]

Il combustore aeronautico (turbogas)[12][modifica | modifica wikitesto]

Camera di combustione1.jpg

La Camera di combustione di un turbogas o di un motore a getto, è l'organo che trasforma l'energia chimica del combustibile in energia termica del fluido, è composta essenzialmente dall'involucro, dal diffusore, dai liner e dal sistema di iniezione del combustibile.

Zone della camera[modifica | modifica wikitesto]

Nella "zona primaria" viene immesso circa il 20% dell'aria a disposizione per effettuare la combustione e per rallentare il flusso in modo che stabilizzi la fiamma.
Nella "zona intermedia" attraverso dei fori sulle pareti si immette un altro 20% dell'aria che serve a completare la combustione.
Nella "zona di diluizione" viene immesso un altro 20% di aria per il controllo della distribuzione della temperatura in uscita dalla camera di combustione e serve a non surriscaldare o scaldare non uniformemente la palettatura della girante (la turbina).
Il restante 40% del flusso si dice aria di raffreddamento delle pareti, affinché il combustore non raggiunga temperature critiche rottura o peggio di fusione.

Dalla camera di combustione dipende la potenza in termini di energia cinetica utilizzabile.

Accorgimenti[modifica | modifica wikitesto]

Perché la fiamma sia stabilizzata nel flusso, occorre che la velocità dell'aria intorno ad essa sia la più bassa possibile (sicuramente minore di 30 m/s, pari a 108 km/h) e questo viene realizzato per mezzo di corpi non aerodinamici che creano un ricircolo nella zona da stabilizzare.
Il combustibile viene spruzzato dagli iniettori che provvedono a nebulizzarlo per miscelarlo il più possibile e garantire quindi una combustione il più possibile completa.
Nella camera sono anche presenti degli "accenditori" che, come il loro nome specifica, servono ad accendere la miscela oppure a riaccenderla nel caso si spenga.

Tipi di combustori[modifica | modifica wikitesto]

La camera di combustione può essere di più tipi, tra i quali i principali sono:

  • Anulare, cioè un anello/cilindro attorno all'asse del motore, continuo e senza interruzioni
  • Tuboanulare, ovverosia una serie di camere cilindriche disposte attorno/affiancate all'asse del motore.
  • Tubolare, il combustore è costituito da una camera cilindrica disposta perpendicolarmente all'asse di rotazione.
  • Contrapposte, due camere di combustione a flusso contrapposto indirizzato da una cassa interna sulla ruota di palette statoriche della turbina.Questo sistema è utilizzato sulle turbine a gas terrestri su macchine la cui potenza che varia da 60 a 170 MW destinate alla produzione di energia elettrica.

Caratteristiche[modifica | modifica wikitesto]

Il combustore di tipo Anulare ha come vantaggio:

  • Flusso più omogeneo, fattore importante per la durata della palettatura della turbina
  • Minimizzazione delle superfici esposte al flusso, di conseguenza si ha una riduzione degli attriti fluidodinamici e della dispersione di calore verso l'esterno.
  • Minimizzazione dell'ingombro frontale della macchina e del peso

Il combustore di tipo Tuboanulare ha come vantaggio:

  • Fiamma più stabile
  • Maggiore flessibilità di utilizzo, data dalla possibilità di ridurre il numero di camere in funzione

Il combustore di tipo Tubolare sono in uso nelle turbine "heavy duty" ovvero quelle destinate alla produzione di energia elettrica a terra e non di derivazione aeronautica, in questi impianti, i limiti di ingombro sono più ampi e si punta spesso ad una maggiore semplicità costruttiva e di manutenzione.

Il combustore di tipo contrapposto risulta strutturalmente semplice e più economico. Sono presenti meno bruciatori e le linee di alimentazione dei combustibili(dual fuel) sono meno complesse.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Dizionario Tecnico dell'Automobilismo: COMBUSTIONE
  2. ^ Three Faces of an Expanding Flame
  3. ^ Motori a Combustione Interna: da SI e CI ad HCCI
  4. ^ Subsystems Required to Control Low Temperature Combustion Engines
  5. ^ Anche GM ha il motore a benzina che funziona come un diesel
  6. ^ MERCEDES 2016: parola d'ordine "evoluzione"
  7. ^ Spark Ignition and Pre-Chamber Turbulent Jet Ignition Combustion Visualization
  8. ^ Visualization of Propane and Natural Gas Spark Ignition and Turbulent Jet Ignition Combustion
  9. ^ Enhancement of Ignition and Burning Rate of Lean Mixtures by Pulsed Flame Jet (PFJ)
  10. ^ Patent application title: TURBULENT JET IGNITION PRE-CHAMBER COMBUSTION SYSTEM FOR SPARK IGNITION ENGINES
  11. ^ Mahle jet ignition: il sistema di iniezione Ferrari
  12. ^ Combustibili e combustione (pagina 43)

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]