Reazione di Combustione: di cosa si tratta?

Al giorno d'oggi, i processi termici che coinvolgono qualsiasi tipo di combustione sono tra i principali modi per ottenere energia e sono presenti nella vita quotidiana delle persone, sia nella fiamma di un fornello che nei motori a combustione delle auto e nelle applicazioni industriali come forni e caldaie.

Data l'importanza di questo processo, la comunità scientifica sta investendo tempo e sforzi per comprendere e rendere più efficienti i processi termici, che possono coinvolgere diversi tipi di fenomeni, tra cui lo scambio di calore per irraggiamento, scambio di materie chimiche, le turbolenze, fenomeni direttamente o indirettamente collegati.

Modellazione numerica applicata alla combustione

La reazione della combustione rilascia una grande quantità di calore e può generare diversi effetti per i gradienti di temperatura elevati e le specie inquinanti. Per studiare e prevedere il comportamento di questi fenomeni all'interno delle apparecchiature, l'industria ha investito in strumenti di fluidodinamica computazionale (CFD).

Analisi della temperatura in una camera di combustione

Gli strumenti CFD sono emersi come un'alternativa più rapida ed economica per la valutazione dei processi che comportano reazioni di combustione, in quanto consentono di creare modelli virtuali e di studiare diversi scenari.

Ciò consente di valutare la miscela di reagenti, gli effetti di spinta, gli scambi termici e la produzione di inquinanti, tenendo conto del combustibile utilizzato in una determinata apparecchiatura e della cinetica ad esso associata. Permettono inoltre di effettuare analisi di sicurezza sulle apparecchiature, di verificarne lo stato di funzionamento ottimale e di certificare la sicurezza per l'operatore, oltre a prevedere l'eventuale rischio di incidenti o esplosioni.

L'analisi della combustione con simulazione CFD fornisce ai professionisti risultati accurati senza la necessità di investimenti elevati, come nelle valutazioni empiriche.

Tuttavia, è importante sottolineare che l'uso di modelli virtuali richiede tempo e dedizione, poiché l'analisi delle reazioni di combustione è un processo che coinvolge diversi fenomeni, direttamente o indirettamente collegati.

Reazione della combustione

In questo contesto, la reazione della combustione, nome generico per le reazioni di ossidazione dei composti chimici con l'ossigeno dell'aria, è il principale agente dei processi termici, dove sia la cinetica che il grado di miscelazione del combustibile e dell'ossidante influenzano il comportamento della fiamma.

La reazione di combustione è rappresentata dalla formula sopra riportata, composta dalla reazione di un combustibile e di un ossidante, che dà luogo a un prodotto

Come si può notare dalla formula sopra riportata, la reazione di combustione rilascia una grande quantità di energia sotto forma di calore (energia termica) che di conseguenza porta a un'espansione dei gas (anidride carbonica e vapore acqueo) con effetti quali la spinta. Questi effetti vengono utilizzati in modo diverso per i vari tipi di apparecchiature.

Nel caso di apparecchiature termiche come i forni industriali, l'energia termica viene utilizzata per riscaldare un carico, come succede per il petrolio greggio all'inizio del processo di raffinazione. In altri tipi di apparecchiature, come i motori a combustione interna, l'obiettivo principale non è quello di sfruttare il calore rilasciato, ma piuttosto l'espansione dei gas all'interno di un cilindro, che porterà al movimento di un pistone, cioè l'energia termica viene convertita in energia meccanica a causa degli effetti di espansione dei gas.