Analisi numerica della combustione di gas a basso potere calorifico per applicazioni a microturbine a gas

Il presente lavoro si occupa dell’analisi numerica di combustione di gas a basso potere calorifico (gas di sintesi derivanti da pirolisi di biomasse). L’analisi è stata condotta su due principali geometrie di camera di combustione. La prima è un bruciatore sperimentale da laboratorio adatto allo studio delle proprietà di combustione del singas. Esso è introdotto in camera separatamente rispetto ad una corrente d’aria comburente al fine di realizzare una combustione non-premiscelata diffusiva in presenza di swirl. La seconda geometria presa in considerazione è la camera di combustione anulare installata sulla microturbina a gas Elliott TA 80 per la quale si dispone di un modello installato al banco al fine dell’esecuzione di prove sperimentali. I principali obbiettivi conseguiti nello studio sono stati la determinazione numerica del campo di moto a freddo su entrambe le geometrie per poi realizzare simulazioni in combustione mediante l’utilizzo di diversi modelli di combustione. In particolare è stato approfondito lo studio dei modelli steady laminar flamelet ed unsteady flamelet con cui sono state esaminate le distribuzioni di temperatura e delle grandezze tipiche di combustione in camera, confrontando i risultati numerici ottenuti con altri modelli di combustione (Eddy Dissipation ed ED-FR) e con i dati sperimentali a disposizione. Di importanza fondamentale è stata l’analisi delle emissioni inquinanti, realizzata per entrambe le geometrie, che mostra l’entità di tali emissioni e la loro tipologia. Relativamente a questo punto, il maggior interesse si sposta sui risultati ottenuti numericamente nel caso della microturbina, per la quale sono a disposizione misure di emissione ottenute sperimentalmente. Sempre per questa geometria è stato inoltre eseguito il confronto fra microturbina alimentata con singas a confronto con le prestazioni emissive ottenute con il gas naturale. Nel corso dei tre anni, l’esecuzione delle simulazioni e l’analisi critica dei risultati ha suggerito alcuni limiti e semplificazioni eseguite sulle griglie di calcolo realizzate per lo studio numerico. Al fine di eliminare o limitare le semplificazioni o le inesattezze, le geometrie dei combustori e le griglie di calcolo sono state migliorate ed ottimizzate. In merito alle simulazioni realizzate sulla geometria del combustore della microturbina Elliott TA 80 è stata condotta dapprima l’analisi numerica di combustione a pieno carico per poi analizzare le prestazioni ai carichi parziali. Il tutto appoggiandosi a tecniche di simulazione RANS ed ipotizzando alimentazioni a gas naturale e singas derivato da biomasse. Nell’ultimo anno di dottorato è stato dedicato tempo all’approfondimento e allo studio della tecnica Large Eddy Simulation per testarne una applicazione alla geometria del bruciatore sperimentale di laboratorio. In tale simulazione è stato implementato l’SGS model di Smagorinsky-Lilly completo di combustione con modelli flamelet. Dai risultati sono stati estrapolati i profili di temperatura a confronto con i risultati sperimentali e con i risultati RANS. Il tutto in diverse simulazioni a diverso valore del time-step imposto. L’analisi LES, per quanto migliorabile, ha fornito risultati sufficientemente precisi lasciando per il futuro la possibilità di approfondire nuovi modelli adatti all’applicazione diretta sulla MTG.

Valutazione della qualità di oli extravergini di oliva chiarificati mediante gas inerte

Diversi studi presenti in letteratura hanno messo in evidenza come il sistema di filtrazione di un olio extravergine di oliva rivesta un ruolo importante per una corretta conservazione del prodotto nel tempo; contestualmente, l’applicazione di metodi tradizionali di trattamento comporta la diminuzione di alcuni componenti minori: oltre all’allontanamento dei composti in sospensione, che concorrono a fornire l’aspetto torbido all’olio non trattato, viene allontanata acqua micro dispersa, che ha l’importante compito di solubilizzare molecole dotate di una certa polarità, principalmente fenoliche che, come noto, risultano indispensabili per la stabilità ossidativa e giocano un ruolo chiave nell’impartire all’olio extravergine di oliva alcune note sensoriali peculiari, quali l’amaro ed il piccante, percepibili in fase gustativa. Lo scopo di questo progetto sperimentale è stato di valutare la qualità chimica e sensoriale di tre oli extra vergini di oliva sottoposti ad un sistema brevettato di illimpidimento, basato sul passaggio di un flusso di gas inerte, quale l’argon, nella massa di olio d'oliva. Questo metodo può rappresentare una valida alternativa ai trattamenti tradizionali e per questo è indispensabile valutarne i punti di forza e di debolezza in relazione all’effettiva possibilità di impiego nella produzione industriale. Per questa finalità, il sistema brevettato dall'Università di Bologna e dalla Sapio (una società privata che fornisce il gas per i settori industriali e della ricerca) è stato applicato a un lotto di 50 L di ciascun olio dopo la sua produzione mediante mini-frantoio. I campioni, sia trattati che controllo, sono stati imbottigliati e conservati a temperatura ambiente e mantenuti al buio prima dell'analisi. Dopo quattro mesi di conservazione, sono stati valutati gli indici di qualità di base, tra cui acidità libera, numero di perossidi, assorbimento specifico nella zona dei dieni e trieni coniugati e il profilo sensoriale. Inoltre è stata valutata la stabilità ossidativa in condizioni forzate, il profilo dei composti maggioritari (acidi grassi) e dei composti minori (tocoferoli, fenoli, volatili, acqua). I risultati sono stati utilizzati per la comparazione della qualità complessiva degli oli extravergini di oliva sottoposti a chiarifica con sistema brevettato rispetto a quelli non trattati, permettendo una valutazione dell’effetto del nuovo sistema sulle caratteristiche chimiche e sensoriali del prodotto.

Dimensionamento del sistema di ventilazione, valutazione delle atmosfere esplosive e studio fluidodinamico della centrale di compressione gas di Poggio Renatico

Progetto relativo al sistema di ventilazione di un cabinato contenente una centrale di compressione di gas naturale da immettere nella rete nazionale. La centrale è sita a Poggio Renatico. Il progetto è suddiviso in tre parti: - dimensionamento e posizionamento dell'impianto di ventilazione; - valutazione delle atmosfere esplosive, con la Guida CEI 31-35; - studio fluidodinamico interno al cabinato, con Solidworks Flow Simulation.

Particle and gaseous emissions from compressed natural gas and ultralow sulphur diesel-fuelled buses at four steady engine loads

Exhaust emissions from thirteen compressed natural gas (CNG) and nine ultralow sulphur diesel in-service transport buses were monitored on a chassis dynamometer. Measurements were carried out at idle and at three steady engine loads of 25%, 50% and 100% of maximum power at a fixed speed of 60 kmph. Emission factors were estimated for particle mass and number, carbon dioxide and oxides of nitrogen for two types of CNG buses (Scania and MAN, compatible with Euro 2 and 3 emission standards, respectively) and two types of diesel buses (Volvo Pre-Euro/Euro1 and Mercedez OC500 Euro3). All emission factors increased with load. The median particle mass emission factor for the CNG buses was less than 1% of that from the diesel buses at all loads. However, the particle number emission factors did not show a statistically significant difference between buses operating on the two types of fuel. In this paper, for the very first time, particle number emission factors are presented at four steady state engine loads for CNG buses. Median values ranged from the order of 1012 particles min-1 at idle to 1015 particles km-1 at full power. Most of the particles observed in the CNG emissions were in the nanoparticle size range and likely to be composed of volatile organic compounds The CO2 emission factors were about 20% to 30% greater for the diesel buses over the CNG buses, while the oxides of nitrogen emission factors did not show any difference due to the large variation between buses.

Microstructural characterization of electron beam evaporated tungsten oxide films for gas sensing applications

Tungsten trioxide is one of the potential semiconducting materials used for sensing NH3, CO, CH4 and acetaldehyde gases. The current research aims at development, microstructural characterization and gas sensing properties of thin films of Tungsten trioxide (WO3). In this paper, we intend to present the microstructural characterization of these films as a function of post annealing heat treatment. Microstructural and elemental analysis of electron beam evaporated WO3 thin films and iron doped WO3 films (WO3:Fe) have been carried out using analytical techniques such as Transmission electron microscopy, Rutherford Backscattered Spectroscopy and XPS analysis. TEM analysis revealed that annealing at 300oC for 1 hour improves cyrstallinity of WO3 film. Both WO3 and WO3:Fe films had uniform thickness and the values corresponded to those measured during deposition. RBS results show a fairly high concentration of oxygen at the film surface as well as in the bulk for both films, which might be due to adsorption of oxygen from atmosphere or lattice oxygen vacancy inherent in WO3 structure. XPS results indicate that tungsten exists in 4d electronic state on the surface but at a depth of 10 nm, both 4d and 4f electronic states were observed. Atomic force microscopy reveals nanosize particles and porous structure of the film. This study shows e-beam evaporation technique produces nanoaparticles and porous WO3 films suitable for gas sensing applications and doping with iron decreases the porosity and particle size which can help improve the gas selectivity.

Electron beam evaporation of tungsten oxide films for gas sensors

Pure and Iron incorporated nanostructured Tungsten Oxide (WO3) thin films were investigated for gas sensing applications using noise spectroscopy. The WO3 sensor was able to detect lower concentrations (1 ppm-10 ppm) of NH3, CO, CH4 and Acetaldehyde gases at higher operating temperatures between 100oC to 250oC. The response of the WO3 sensor to NH3, CH4 and Acetaldehyde at lower temperatures (50oC-100oC) was significant when the sensor was photo-activated using blue-light emitting diode (Blue-LED). The WO3 with Fe (WO3:Fe) was found to show some response to Acetaldehyde gas only at relatively higher operating temperature (250oC) and gas concentration of 10 ppm.

Thin film deposition and characterization of pure and iron-doped electron-beam evaporated tungsten oxide for gas sensors

Pure Tungsten Oxide (WO3) and Iron-doped (10 at%) Tungsten Oxide (WO3:Fe) nanostructured thin films were prepared using a dual crucible Electron Beam Evaporation techniques. The films were deposited at room temperature in high vacuum condition on glass substrate and post-heat treated at 300 oC for 1 hour. From the study of X-ray diffraction and Raman the characteristics of the as-deposited WO3 and WO3:Fe films indicated non-crystalline nature. The surface roughness of all the films showed in the order of 2.5 nm as observed using Atomic Force Microscopy (AFM). X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis revealed tungsten oxide films with stoichiometry close to WO3. The addition of Fe to WO3 produced a smaller particle size and lower porosity as observed using Transmission Electron Microscopy (TEM). A slight difference in optical band gap energies of 3.22 eV and 3.12 eV were found between the as-deposited WO3 and WO3:Fe films, respectively. However, the difference in the band gap energies of the annealed films were significantly higher having values of 3.12 eV and 2.61 eV for the WO3 and WO3:Fe films, respectively. The heat treated samples were investigated for gas sensing applications using noise spectroscopy and doping of Fe to WO3 reduced the sensitivity to certain gasses. Detailed study of the WO3 and WO3:Fe films gas sensing properties is the subject of another paper.

Electron beam evaporation of tungsten oxide films for gas sensors

Pure and Iron incorporated nanostructured Tungsten Oxide (WO3) thin films were investigated for gas sensing applications using noise spectroscopy. The WO3 sensor was able to detect lower concentrations (1 ppm-10 ppm) of NH3, CO, CH4 and Acetaldehyde gases at operating temperatures between 100 degrees celcius to 250 degrees celcius. The iron doped Tungsten Oxide sensor (WO3:Fe) showed some response to Acetaldehyde gas at relatively higher operating temperature (250 degrees celcius) and gas concentration of 10 ppm. The sensitivity of the WO3 sensor towards NH3, CH4 and Acetaldehyde at lower operating temperatures (50 degrees celcius - 100 degrees celcius) was significant when the sensor was photo-activated using blue-light emitting diode (Blue-LED). From the results, photo-activated WO3 thin film that operates at room temperature appeared to be a promising gas sensor. The overall results indicated that the WO3 sensor exhibited reproducibility for the detection of various gases and the WO3:Fe indicated some response towards Acetaldehyde gas.