La model­la­zione CFD aiuta a svi­lup­pare i migliori bru­cia­tori di gas natu­rale al mondo

La flui­do­di­na­mica com­pu­ta­zio­nale, in breve CFD, è uti­liz­zata prin­ci­pal­mente per la model­la­zione nume­rica dei flussi di gas e liquidi. La CFD con­sente agli esperti di Oilon di simu­lare diversi pro­cessi, come il fun­zio­na­mento di un bru­cia­tore, molto prima di creare un pro­to­tipo fisico. Questo acce­lera lo svi­luppo, riduce i costi e si traduce in un pro­dotto com­ples­si­va­mente migliore.

Le nazioni di tutto il mondo stanno ridu­cendo sempre più le proprie emis­sioni di NOx. Ciò richiede con­ti­nui pro­gressi nella com­bu­stione e nella tec­no­lo­gia delle caldaie, ma c’è anche un altro fattore da con­si­de­rare: quale com­bu­sti­bile uti­liz­zare. Oilon ha fatto dello svi­luppo della tec­no­lo­gia di com­bu­stione a basso con­te­nuto di NOx una priorità. Un’al­tra area di inte­resse sono i com­bu­sti­bili alter­na­tivi che sod­di­sfano i criteri di svi­luppo soste­ni­bile. Negli ultimi anni, gli sforzi del­l’a­zienda si sono con­cen­trati soprat­tutto sulle solu­zioni a basso con­te­nuto di NOx per il gas natu­rale. Vediamo un esempio.

LN30 Ultra low NOx – una nuova fami­glia di bru­cia­tori

“È qui che avviene la magia, nella testa di com­bu­stione”, afferma Joonas Kat­te­lus, Respon­sa­bile tec­no­lo­gico di Oilon. “Recen­te­mente, abbiamo intro­dotto una nuova fami­glia di pro­dotti mono­blocco, la LN30. Quando si uti­lizza il gas natu­rale in questi bru­cia­tori, è pos­si­bile rag­giun­gere il livello record di Ultra Low NOx, infe­riore a 2,5 ppm (5 mg/Nm3). Si tratta di bru­cia­tori a pre­mi­sce­la­zione con una lunga testa di com­bu­stione tubo­lare. Il più piccolo della fami­glia ha una capacità massima di 900 kW (3,4 MMbtu/h) e il più grande di 4,9 MW (18,6 MMBtu/h). Si tratta di bru­cia­tori indu­striali che occu­pano la posi­zione di capacità infe­riore alla media nel port­fo­lio pro­dotti Oilon.

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Joonas Kat­te­lus nel labo­ra­to­rio di svi­luppo pro­dotti di Oilon pre­senta un bru­cia­tore della gamma LN30. Lo sfondo mostra caldaie di diverse dimen­sioni per testare i bru­cia­tori.

“Esi­stono, già da molti anni, sul mercato altri bru­cia­tori pre­mi­sce­lati. Tut­ta­via, ciò che offriamo ora è deci­sa­mente meglio rispetto a tutti i modelli pre­ce­denti. Per esempio, con­fron­tiamo la nostra nuova solu­zione con la tec­no­lo­gia dei bru­cia­tori a rete pre­mi­sce­lati, in cui la miscela combustibile-​aria viene omo­ge­neiz­zata il più pos­si­bile, immet­ten­dola nel forno attra­verso una rete stretta. I nostri bru­cia­tori LN30 non hanno una rete; al con­tra­rio, uti­liz­ziamo un lungo tubo con ugelli a un’estremità per immet­tere il com­bu­sti­bile e l’aria nel forno per la com­bu­stione”.

Kat­te­lus spiega che un bru­cia­tore a rete richiede un’aria di com­bu­stione estre­ma­mente pulita, altri­menti le impurità inta­se­reb­bero la rete nella testa di com­bu­stione. In pratica, è neces­sa­rio un fil­trag­gio effi­cace e il filtro stesso richie­de­rebbe una pulizia fre­quente. Questa tec­no­lo­gia non può essere uti­liz­zata in ambienti pol­ve­rosi. I bru­cia­tori della serie LN30 sono privi di filtro; non è neces­sa­rio alcun filtro, poiché non vi sono piccole aper­ture sog­gette a inta­sa­mento.

Basse emis­sioni di NOx a bassi livelli di ossi­geno residuo

“Una nuova carat­te­ri­stica signi­fi­ca­tiva della serie LN30 è la ridu­zione del livello di ossi­geno residuo (O2)”, con­ti­nua Kat­te­lus. “Nei bru­cia­tori a pre­mi­sce­la­zione tra­di­zio­nali, il limite di 9 ppm di NOx può essere rag­giunto solo con un livello di ossi­geno residuo del 7-8%. Con questi bru­cia­tori, pos­siamo otte­nere questo risul­tato con un livello di O2 infe­riore al 4-6%. Con il 6-8% di O2, si può arri­vare a 5 ppm. Ovvia­mente, il nostro obiet­tivo era quello di ridurre il più pos­si­bile il livello di ossi­geno residuo, per miglio­rare l’ef­fi­cienza”.

“Siamo stati in grado di mettere a punto la nostra pre­mi­scela in modo molto vicino alla per­fe­zione, otte­nendo un note­vole aumento delle pre­sta­zioni. Il pro­cesso di misce­la­zione è stato svi­lup­pato inte­ra­mente con la CFD. Sele­zio­nando la forma giusta per la testa di com­bu­stione e gli ugelli, e con il cor­retto posi­zio­na­mento degli ugelli, siamo riu­sciti a man­te­nere la fiamma estre­ma­mente com­patta. La fiamma si adatta bene anche a un forno più piccolo”.

Kat­te­lus spiega che una pre­mi­scela per­fetta riduce anche il rischio di for­ma­zione di CO. In genere, quando i livelli di NOx dimi­nui­scono, i livelli di CO aumen­tano. Con una pre­mi­scela per­fetta, tutto il CO viene con­su­mato e il pro­blema viene evitato.

Un altro van­tag­gio di una testa di com­bu­stione lunga è che favo­ri­sce il ricir­colo interno dei fumi (IFGR) nella sezione ante­riore del forno. In questo pro­cesso, il gas di scarico inerte viene mesco­lato alla miscela di aria e com­bu­sti­bile. Questo raf­fredda la fiamma, ridu­cendo la for­ma­zione di com­po­sti termici di NOx e con­sen­tendo di uti­liz­zare un con­te­nuto infe­riore di O2 nei gas di scarico.

“In passato, la misce­la­zione dei gas di scarico è stata otte­nuta uti­liz­zando il ricir­colo esterno dei gas di scarico (FGR), in cui i gas di scarico vengono immessi nel forno dal­l’e­sterno. Tut­ta­via, l’FGR esterno ha delle limi­ta­zioni che possono essere pro­ble­ma­ti­che per alcuni clienti in deter­mi­nate situa­zioni”.

Secondo Kat­te­lus, Oilon ha veri­fi­cato l’affidabilità e le pre­sta­zioni della sua nuova fami­glia di bru­cia­tori con appro­fon­diti test di labo­ra­to­rio. I pro­dotti sono stati inoltre cer­ti­fi­cati UL. Le appa­rec­chia­ture del bru­cia­tore per il primo caso sul campo negli Stati Uniti sono state messe in fun­zione, e altre con­se­gne sono attual­mente in corso. Oilon ha fornito pro­dotti LN30 ad altri mercati già da alcuni anni, con buoni risul­tati.

Oilon ha bre­vetti in corso per la nuova tec­no­lo­gia in Europa e in Cina. La tec­no­lo­gia è già stata bre­vet­tata negli Stati Uniti.

La model­la­zione CFD è il segreto per un’in­ge­gne­ria e uno svi­luppo eccel­lenti

Per quasi 15 anni, Oilon ha uti­liz­zato il calcolo CFD nella pro­get­ta­zione e nello svi­luppo dei bru­cia­tori. Oggi la CFD è uno dei prin­ci­pali stru­menti di svi­luppo uti­liz­zati da Oilon. Nei primi anni, i calcoli CFD richie­de­vano molto tempo per essere ela­bo­rati e ten­de­vano a fornire risul­tati impre­cisi, il che signi­fi­cava che lo stru­mento era rele­gato a un ruolo di sup­porto. Tut­ta­via, con l’au­mento della potenza di ela­bo­ra­zione, la matu­ra­zione dei modelli di calcolo e l’am­plia­mento del know-​how del­l’a­zienda, la CFD è diven­tata più pra­ti­ca­bile e da diversi anni è diven­tata il prin­ci­pale stru­mento di svi­luppo del­l’a­zienda.

“Oggi svi­lup­piamo la tec­no­lo­gia di com­bu­stione uti­liz­zata nei nostri pro­dotti uti­liz­zando in larga misura la simu­la­zione CFD. In genere, i valori che otte­niamo sono pra­ti­ca­mente iden­tici a quelli misu­rati dal pro­to­tipo fisico vero e proprio”, afferma Kat­te­lus. “Durante lo svi­luppo dei bru­cia­tori, rea­liz­za­vamo diversi pro­to­tipi e i test richie­de­vano molto tempo. Ora, grazie alla CFD, otte­niamo risul­tati migliori in tempi più rapidi e con costi infe­riori, anche in un pano­rama ricco di requi­siti sempre più restrit­tivi. Da un lato, l’in­du­stria delle caldaie tende a man­te­nere le dimen­sioni dei forni il più pos­si­bile ridotte per ridurre i costi, e dal­l’al­tro, la legi­sla­zione mira a ridurre i livelli di emis­sioni. C’è un con­flitto tra questi due aspetti, in quanto un forno più piccolo aumenterà le emis­sioni di NOx”.

“Ovvia­mente, sia le pre­sta­zioni della caldaia che la quantità di emis­sioni di NOx dipen­dono da entrambe le parti dal­l’u­nione di: bru­cia­tore e forno. I livelli di emis­sione dipen­dono da diversi para­me­tri, ma la regola prin­ci­pale è che miglio­rando la tra­smis­sione del calore dalla fiamma al forno si ridu­cono sempre le emis­sioni di NOx. Ci sono molti modi per miglio­rare questo aspetto, come l’ot­ti­miz­za­zione delle dimen­sioni del forno, l’on­du­la­zioni del forno e la ridu­zione al minimo del­l’uso del refrat­ta­rio. La model­la­zione CFD ci per­mette di lavo­rare con i pro­dut­tori di caldaie al fine di garan­tire il miglior risul­tato pos­si­bile”.

Un know-​how CFD unico e un labo­ra­to­rio eccel­lente

Nel corso degli anni, Oilon ha acqui­sito una vasta espe­rienza e un know-​how unico nel­l’u­ti­lizzo della model­la­zione CFD. Questa com­pe­tenza è sup­por­tata da eccel­lenti strut­ture di labo­ra­to­rio nel centro di svi­luppo pro­dotti del­l’a­zienda. Questi due ele­menti formano una com­bi­na­zione dif­fi­cile da battere: le misu­ra­zioni in labo­ra­to­rio vengono uti­liz­zate per svi­lup­pare modelli CFD che, a loro volta, vengono veri­fi­cati e testati ulte­rior­mente in labo­ra­to­rio. Secondo Kat­te­lus, l’a­zienda dispone dei modelli di com­bu­stione del gas natu­rale più avan­zati al mondo, soprat­tutto per quanto riguarda la model­la­zione delle emis­sioni.