• Idrogeno
• flashback
• decarbonizzazione
• computational fluid dynamics

Nel seguente lavoro di tesi si è deciso di validare un modello a basso costo computazionale per lo studio del processo di combustione all’interno di caldaie domestiche a condensazione. Nel nostro studio analizzeremo l’alimentazione premiscelata di 100% idrogeno con aria. Nel panorama europeo per arrivare all’obiettivo zero emissioni di CO2 entro il 2050 si rende necessario l’utilizzo di combustibili alternativi, come per esempio l’idrogeno che può essere ricavato dall’eccesso di energie rinnovabili. Il settore del riscaldamento domestico è tra quelli che si sono messi in gioco per poter sviluppare prodotti alimentati con idrogeno. Il mio lavoro di tesi ha come obiettivo quello di sviluppare modelli numerici rapidi che possano dare informazioni affidabili riguardo all’effetto dell’utilizzo dell’idrogeno nei bruciatori perforati sulle emissioni di NOx e sulla stabilità della fiamma. Infatti, utilizzando l’idrogeno, che presenta caratteristiche completamente diverse da quelle del gas naturale si può incorrere in effetti indesiderati per quanto riguarda la stabilità e le emissioni. In particolare, l’idrogeno presenta una velocità laminare di fiamma circa 6 volte superiore a quella del gas naturale e questo può indurre il fenomeno del ritorno di fiamma o flashback. Inoltre, le elevate temperature di processo dell’idrogeno inducono anche elevate emissioni di NOx per via termica. Nella prima parte del lavoro di tesi, è stato effettuato uno studio preliminare del ruolo dell’idrogeno come vettore energetico green, dello stato dell’arte sulle tecnologie di produzione e stoccaggio e il suo ruolo nel riscaldamento residenziale. Quindi si è passati allo studio del funzionamento delle caldaie per uso domestico, confrontando quelle tradizionali alle caldaie a condensazione e rivolgendo particolare attenzione ai vari tipi di bruciatore. Si è poi passati allo sviluppo del modello numerico, sfruttando le simmetrie dei tipici bruciatori perforati si è analizzato un singolo foro in assial-simmetria. Si è utilizzato il software commerciale ANSYS Fluent in condizioni laminari date le piccole dimensioni in gioco, utilizzando chimica dettagliata per avere una corretta stima del processo di combustione. Il modello numerico 2D è stato sviluppato per poter stimare, al variare della portata in ingresso, la velocità critica di ritorno di fiamma al variare dei parametri geometrici. In particolare, si è fatta variare la distanza tra due fori adiacenti per poter catturare i risultati ottenuti da simulazioni 3D di un precedente lavoro. Lo scopo ultimo è quello di sviluppare un modello rapido e a basso costo computazionale che possa restituire risultati affidabili (comparabili con geometria 3D più complessa e con costo computazionale molto più elevato) in termini di temperatura del bruciatore e velocità di flashback. Sono state condotte varie campagne di simulazioni numeriche stazionarie per fiamme laminari premiscelate di idrogeno\aria con rapporto di equivalenza fisso pari a 0.6 variando la geometria. Lo scambio termico con la parete del bruciatore è stato trattato con un approccio di tipo Conjugate Heat Transfert (CHT), che risolve sia la zona fluida che quella solida. Si è dimostrato come per avere una buona predizione della velocità di flashback sia necessario utilizzare una distanza tra i fori, a parità di diametro, inferiore a quella utilizzata nelle simulazioni 3D (che è quella reale del bruciatore perforato). Infine, sono state valutate le emissioni di inquinanti NOx andando a implementare in Fluent una specifica funzione UDF. Si è dimostrato tramite le simulazioni svolte che il campo di temperatura non è modificato dalle modifiche geometriche, così come le emissioni di inquinanti che dipendono dal campo di temperatura.