Diapositiva 1 - Prime Glass Life Project

Progetto PRIMEGLASS - Project LIFE12 ENV/IT/001020
STAZIONE SPERIMENTALE DEL VETRO
Murano (VE)
Venerdì 26 Febbraio 2016
Tecniche primarie per la riduzione degli ossidi di azoto (NOx)
in forni fusori per vetro: considerazioni generali e risultati
ottenuti con il progetto “PRIME GLASS”
Modelli fluidodinamici a servizio della progettazione
Prof. Carlo Cravero – DIME Università degli Studi di Genova
La Fluidodinamica Computazionale – CFD (Computational Fluid Dynamics) è
ormai una tecnologia matura in molti settori industriali come strumento di ausilio
alla progettazione
Nella progettazione aeronautica la simulazione (CFD-FEM) è ammessa come
strumento per la certificazione di nuovi prodotti o componenti …….
Da alcuni anni è attiva una collaborazione tecnico-scientifica tra Stara Glass Srl e
Università di Genova per la verifica delle potenzialità della CFD applicata alla
progettazione di componenti e sistemi per impianti di produzione del vetro.
Tali applicazioni presentano alcune specificità legate a:
- complessità geometrica (es. camere di rigenerazione e impilaggi)
- flussi altamente tridimensionali con scambio termico e miscele di gas (fumi)
- combustione
- grandi difficoltà nella caratterizzazione sperimentale di dettaglio dei fenomeni
Affinché la CFD possa essere uno strumento operativo ed utile nel processo
industriale di sviluppo del prodotto fornendo informazioni utili al progettista in
tempi ridotti è necessaria la messa a punto di modelli rappresentativi dei diversi
aspetti considerati
Il sistema in esame ……
Nell’ambito del progetto Primeglass, la modellistica CFD, come strumento di
indagine per il raggiungimento degli obiettivi dello studio, riguarda i seguenti
aspetti principali:
• Rappresentazione del comportamento del fluido
•
miscela di gas con proprietà termodinamiche variabili
• Modellazione camere rigenerative
• Simulazioni in fase fumi e fase aria e studio degli scambi termici con gli
impilaggi
• Messa a punto di sottomodelli per la simulazione di componenti e sistemi
accoppiati (es. canalizzazioni di ricircolo fumi e camera rigenerativa)
• Combustione
I modelli messi a punto consentono di simulare e progettare i sistemi di riduzione
delle emissioni proposti (ricircolo dei fumi, air staging)
Comportamento del fluido
Necessità di una corretta caratterizzazione delle proprietà termofisiche (aria o fumi)
nel range di temperature di esercizio
I gas combusti vengono trattati come una miscela di gas ideali
Le proprietà di ciascuna specie vengono trattate in funzione della temperatura:
Calore specifico
Tabelle NIST
Viscosità dinamica
Sutherland's Formula
Conducibilità termica
Eucken Modified Model
Densità [Kg m^-3]
1,4
1,2
Anche se il flusso è incomprimibile
(numero di Mach trascurabile) è
necessario tener conto delle variazioni di
densità, associate alle variazioni di
temperatura,
nel
termine
di
galleggiamento (buoyancy)
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
500
1000
1500
Temperatura [°C]
2000
Camere rigenerative
La camera rigenerativa è un componente fondamentale nella soluzione
impiantistica di forno rigenerativo
Non è ipotizzabile l’utilizzo diretto della CFD nella
configurazione reale di camera dotata degli
impilaggi a causa dell’enorme richiesta di risorse
in termini di celle di calcolo e quindi memoria
RAM e CPU.
E’ necessario lo sviluppo di un modello CFD che
permetta di simulare:
-
le cadute di pressione
-
la distribuzione del flusso e la distribuzione di
temperatura sia per la fase FUMI che per la fase
ARIA
-
le soluzioni di ricircolo dei fumi;
La zona centrale della camera dove sono installati gli impilaggi viene modellizzata
come un dominio poroso dove, tramite termini sorgenti vengono modellati gli
effetti di resistenza al flusso e di scambio termico
Per caratterizzare dal punto di vista
fluidodinamico il dominio poroso si immagina
di effettuare un carotaggio ovvero si effettuano
serie di simulazioni su un modulo 3D
rappresentativo degli impilaggi con la loro reale
geometria CAD
Modello poroso: resistenza al flusso

 ( u )
+ div(ρi u ) =  grad ( p ) + div(  ) + (    0 )  S p
t


S pi   ui  Ci u ui
2
 i
aria
fumi



Modello poroso: scambio termico


 ( h )
+ div(ρu ) =  p div u + div(λ grad T) + Si
t
Sono stati messi a punto due diversi modelli per tener conto dello scambio termico
nel dominio poroso tramite il termine sorgente Si nell’equazione dell’energia:
• Modello di equilibrio: basato sull’assegnazione del flusso termico ricavato dalle
distribuzioni di temperatura (top e bottom impilaggi) ottenute sperimentalmente
o dall’esperienza progettuale;
• Modello di non-equilibrio: non richiede la conoscenza delle temperature quindi
non è accoppiato direttamente a dati sperimentali. Nel modello si assegna il
coefficente di scambio termico (di validità più generale) da cui si ricava il flusso
termico negli impilaggi. Permette di verificare l’effetto della forma dell’impilaggio
anche sul flusso termico.
Modello termico di equilibrio
Il termine sorgente Si viene valutato assegnando la distribuzione di temperatura tra
ingresso e uscita del modulo impilaggi:
T2
m
Si   Cp (T )dT
V T1
Dove m è la portata di fluido, V il volume degli impilaggi e T1 – T2 le temperature di
ingresso e uscita della camera rigenerativa (variano a seconda della fase aria o della
fase fumi)
La distribuzione interna di temperatura viene assegnata lineare tra T1 e T2
Modello termico di non equilibrio
•
Condizione di scambio termico accoppiato all’interfaccia
solido/fluido
•
Calcolo instazionario (inerzia nel processo di inversione)
•
Condizioni iniziali: i campi di T del calcolo all’equilibrio
•
Valutazione del coefficiente convettivo h in relazione alla
forma dell’impilaggio
qconv
Tsolido  T fluido
Il termine Si è valutato localmente assegnando il
coefficiente di scambio h
70
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
60
Aria
h [W/m2K]
h [W/m2K]
h
Fumi
50
40
30
20
10
0
0
10
20
z/d
30
40
0
10
20
z/d
30
40
Confronto tra i modelli di
dominio poroso
Fase Aria
Fase Fumi
Camera inferiore – rigeneratore - torrino
Il modello del sistema è utilizzato sia per
la fase aria sia per la fase fumi (studiate
distintamente) applicando le opportune
condizioni al contorno
La camera inferiore è
rappresentata con la
geometria reale legata
alla struttura dell’edificio
Applicazioni
Distribuzione di flusso al torrino
Il modello del sistema permette lo studio di vari aspetti e
costituisce un valido strumento di ausilio alla progettazione
Studio e ottimizzazione ricircolo fumi
Geometria della camera e
uniformità di flusso al top
impilaggi
Sottomodelli
Messa a punto di modelli per il calcolo di sistemi e
componenti che si interfacciano con l’impianto
tramite condizioni al contorno
Canalizzazione fumi
Diffusore fumi
Profili in ingresso al
modello camera
rigenerativa
COMBUSTIONE
•
•
La simulazione CFD relativamente alla combustione ha due obbiettivi principali:
•
Messa a punto di un opportuno modello di fiamma diffusiva;
•
Valutazione dell'effetto del ricircolo sulla struttura/dinamica della fiamma e sulla
produzione di NOx;
Per mettere a punto il modello di fiamma si è proceduto utilizzando un caso ben
documentato in letteratura (SANDIA);
A seguito dell’esperienza maturata su casi di letteratura si è impostato il modello combustivo
nel modo seguente:
- modello di radiazione P1 (intensità di radiazione in una serie di armoniche sferiche
ortogonali)
- combustione non premiscelata:
- steady diffusion flamelet;
- meccanismo termodinamico: GRImech 3.0 (ottimizzato per modellare la combustione
del gas naturale comprensivo di produzione degli NOx e incombusti);
- generazione della tabella PDF (definizione dei reagenti) per la previsione delle specie
chimiche.
Modello di forno
Il modello include il forno e i due torrini ed è discretizzato tramite una mesh ibrida
(strutturata – non strutturata) congruente all’interfaccia
La zona di mesh non strutturata della parte anteriore è infittita per risolvere con
migliore accuratezza l’immissione del metano e la prima zona di accensione della
fiamma.
Mesh totale di circa 2.7 MCells
Condizioni al contorno:
-
Ingresso aria: uniforme (4,94 Kg/s) ad una temperatura di 1485 K
Superficie vetro fuso: Temperatura 1680 K ed emissività 0,87
Pareti forno, volta, coni, torrino fumi, torrino aria: 1680 K ed emissività 0,87
Inlet gas centrale, sinistro, destro: profilo di velocità tramite UDF (velocità max 80
m/s) a 300 K;
Outlet: flow rate weighting.
Profilo di velocità di CH4 in
uscita dalla lancia
Streamlines
Velocità - Temperatura
Mixture fraction CH4
O2 - CO
Curve O2-CO al variare del rapporto di combustione (tenendo fisso la portata di
combustibile e variando quella del comburente aria)
18000
1400
16000
1200
14000
1000
ppm CO
CO
10000
NO
800
Potenza (CO)
8000
Lineare (NO)
600
6000
400
4000
200
2000
0
0,0000
0,0050
0,0100
0,0150
O2
0,0200
0
0,0250
mg/Nm3 NO
12000
Conclusioni
• Diversi modelli fluidodinamici, tramite tecniche CFD, sono stati messi a
punto e utilizzati in ambito progettuale per gli interventi strutturali ed
impiantistici previsti nell’ambito del progetto PRIMEGLASS
• Un modello di simulazione della combustione è stato messo a punto e già
applicato a configurazioni reali di forni. E’ in corso l’analisi dell’effetto dei
principali parametri costruttivi e di funzionamento sulla combustione a
confronto con l’esperienza e l’evidenza sperimentale
• L’attività di sviluppo a conclusione del progetto consiste nella verifica del
modello di combustione in relazione alla previsione degli NOx ed alla sua
applicazione per la previsione della riduzione di emissioni a seguito degli
interventi progettuali a confronto con i dati sperimentali disponibili per i
forni oggetto di intervento
Validazione ricircolo fumi forno di Trezzano
Combustione: fiamma diffusiva CH4/H2/N2
Setup sperimentale e dati di
riferimento SANDIA Lab.
Profili di temperatura
Metodo Chem. Equilibrium
Prodotti di combustione
Metodo Chem. Equilibrium
Metodo Flamelet