Numerical Optimization of the Nozzle Air Inlet Structure in H 2 -CH 4 Micromix Combustor

Mentre il mondo cerca di allontanarsi dai combustibili fossili, alle turbine a gas viene chiesto di fare qualcosa per cui non sono mai state progettate: bruciare idrogeno insieme al gas naturale. L'idrogeno è un combustibile pulito che non produce anidride carbonica quando brucia, ma è anche incredibilmente reattivo. Quando mescolato con l'aria, brucia così velocemente e con tale intensità che può causare il ritorno della fiamma nel condotto del combustibile o creare punti caldi intensi e localizzati che generano ossidi di azoto nocivi. Per risolvere questo problema, gli ingegneri hanno sviluppato un concetto chiamato combustione micromix. Invece di una singola grande fiamma, questo approccio utilizza centinaia di minuscoli canali per creare un vasto campo di micro-fiamme. Dividendo il combustibile e l'aria in piccoli getti separati, la miscela avviene quasi istantaneamente, prevenendo la formazione di punti caldi e mantenendo basse le emissioni. Tuttavia, affinché questo sistema funzioni, il combustibile e l'aria devono essere miscelati con estrema precisione prima ancora di accendersi. Se la miscela è irregolare, i benefici delle minuscole fiamme svaniscono.

Un team di ricercatori del National Energy Group cinese e di istituti di ricerca si è posto l'obiettivo di perfezionare il design dell'ugello che distribuisce questa miscela. Il loro scopo era trovare il modo migliore per disporre i fori dove l'aria entra nell'ugello, per garantire che si fonda perfettamente con l'idrogeno e il metano. Non hanno costruito un prototipo fisico da testare in laboratorio; al contrario, hanno utilizzato potenti simulazioni informatiche per modellare il flusso dei gas. Queste simulazioni hanno permesso loro di osservare come l'aria e il combustibile interagiscono all'interno dell'ugello, tracciando come i gas ruotano, collidono e si mescolano sotto diverse condizioni. I ricercatori si sono concentrati su un tipo specifico di ugello in cui l'aria entra dalle pareti laterali e collide con il combustibile proveniente dal basso, creando un ambiente turbolento che forza i due gas l'uno contro l'altro.

Il team ha iniziato testando come il numero di fori d'aria influenzasse il processo di miscelazione. Hanno confrontato un design semplice con un singolo strato di quattro fori rispetto ad arrangiamenti più complessi con otto e dodici fori. Hanno scoperto che l'aggiunta di più strati di fori creava una reazione a catena di correnti d'aria rotanti. Quando l'aria esce lateralmente, blocca la via ascendente del combustibile, costringendo quest'ultimo a ruotare e creando un vortice, o una sacca d'aria rotante, vicino alla base. Con un singolo strato di fori, questo movimento rotatorio si esaurisce rapidamente. Ma con due o tre strati, l'aria proveniente dai fori superiori cattura il movimento rotatorio di quelli inferiori, creando un secondo, un terzo e persino più vortici mentre la miscela sale verso l'alto. Questi molteplici strati di aria rotante tendono e ripiegano il combustibile e l'aria insieme, proprio come si impasta il pane, assicurando che siano mescolati accuratamente prima di raggiungere la fine dell'ugello. I ricercatori hanno scoperto che, sebbene dodici fori offrissero un leggero miglioramento rispetto agli otto, la complessità aggiuntiva e la difficoltà di produzione non valevano il minimo guadagno in termini di prestazioni. Si sono quindi assestati su un design a doppio strato con otto fori come il miglior equilibrio di efficienza.

Successivamente, i ricercatori hanno esaminato la dimensione di quei fori. Nel loro design iniziale, tutti i fori d'aria avevano la stessa dimensione, ma hanno notato che la pressione dell'aria all'interno dell'ugello non era uniforme. L'aria che entrava dai fori inferiori incontrava più resistenza e si muoveva con meno forza rispetto all'aria che entrava da quelli superiori. Per risolvere il problema, hanno provato un design "graduato" in cui i fori alla base erano stati resi più grandi e i fori superiori più piccoli. Questo semplice cambiamento ha ridistribuito la quantità di moto dell'aria. Rendendo i fori inferiori più grandi, una maggiore quantità di aria veniva spinta attraverso di essi con una forza superiore, rafforzando il vortice rotante alla base, dove il combustibile entra per la prima volta. Questa rotazione più forte attirava il combustibile nell'aria in modo più efficace, eliminando le sacche di combustibile non bruciato che erano rimaste stazionarie nei design uniformi. Le simulazioni hanno mostrato che questo approccio graduato migliorava significativamente la qualità della miscelazione, portando l'uniformità della miscela a livelli quasi perfetti.

Il team ha poi testato se questo ugello ottimizzato potesse gestire diverse quantità di idrogeno. Hanno simulato condizioni in cui il combustibile era gas naturale puro, una miscela con il 60% di idrogeno e persino idrogeno puro. I risultati hanno mostrato che il nuovo design funzionava molto bene per le miscele contenenti fino al 60% di idrogeno. In questi scenari, la miscelazione rimaneva uniforme e stabile. Tuttavia, quando hanno spinto il contenuto di idrogeno al 100%, il sistema ha iniziato a faticare. L'idrogeno puro richiede una portata molto più alta per fornire la stessa quantità di energia, il che significa che il combustibile esce dall'ugello a una velocità molto più elevata. Questo getto di combustibile ad alta velocità è diventato troppo potente, trapassando direttamente le correnti d'aria invece di essere catturato e fatto ruotare da esse. Il delicato sistema di vortici che teneva unita la miscela è crollato e la qualità della miscelazione è diminuita. Questo risultato suggerisce che, sebbene l'ugello sia altamente efficace per il periodo di transizione verso l'aggiunta di idrogeno al gas, potrebbe necessitare di ulteriori regolazioni per gestire l'idrogeno puro.

Infine, i ricercatori si sono resi conto che l'ugello non aveva bisogno di essere lungo quanto quello che avevano inizialmente costruito nei loro modelli. Le simulazioni hanno mostrato che la miscelazione avveniva molto rapidamente; quando i gas raggiungevano i 60 millimetri di altezza nell'ugello, erano già miscelati al 97%. I restanti 40 millimetri di lunghezza aggiungevano pochissimo alla qualità finale della miscela. Questa intuizione significa che gli ingegneri potrebbero costruire un ugello molto più corto e compatto, che risparmia spazio e riduce i costi di produzione senza sacrificare le prestazioni. Lo studio conclude che, disponendo attentamente il numero e la dimensione dei fori d'aria, è possibile creare un ugello che misceli idrogeno e gas naturale in modo efficiente e sicuro, fornendo un passo pratico verso un'energia più pulita per le turbine a gas.