Sviluppo di diagnostica avanzata ODC

Il Laboratorio Processi per la combustione sostenibile vanta una tradizione consolidata nello sviluppo di diagnostica avanzata e innovativa.
Nell’alveo di questa tradizione la metodologia diagnostica denominata ODC (Optical Diagnostic for Combustion), sviluppata e brevettata da ENEA, basata sull’analisi delle emissioni nel visibile e nell’UV di una fiamma, permette la caratterizzazione fluidodinamica della combustione turbolenta.
Misure sperimentali effettuate hanno mostrato che l’ODC fornisce le stesse informazioni in frequenza ottenute con la tecnica LDA (Laser Doppler Anemometry) ritenuta uno standard strumentale per tale applicazione (v. figura 1). 

Fig. 1 - Confronto LDA e ODC: spettro di energia cinetica (LDA - rosso) e spettro di energia radiante (ODC - blu)
Fig. 1 - Confronto LDA e ODC: spettro di energia cinetica (LDA - rosso) e spettro di energia radiante (ODC - blu)

Oltre a ciò, esso permette di individuare, nel loro stato di incipienza, anomalie funzionali sia di tipo fluidodinamico che termoacustico (instabilità), in quanto riesce a mettere in luce, discriminandoli, i fenomeni precursori di queste, consentendo in tal modo un tempestivo intervento sul processo, fino a ipotizzare lo sviluppo di sistemi di “controllo attivo” della combustione.

Fig. 2 - Confronto tra segnale di pressione e segnale ODC
Fig. 2 - Confronto tra segnale di pressione e segnale ODC

Il sistema ha un basso livello di intrusività, necessita di accessi ottici con diametro dell’ordine dei millimetri, e gode di una elevata immunità verso la rumorosità elettromagnetica, l’aggressività chimica e l’alta temperatura di operazione. Il processo viene osservato con sonde ottiche passive, chimicamente inerti e operative fino ai 1.800 °C. Per queste sue caratteristiche esso si mostra particolarmente indicato al monitoraggio del processo reattivo in camere di combustione di impianti energetici.

I vantaggi che si hanno nell’utilizzare questa nuova metodologia, che sfrutta in maniera adeguata le proprietà di un sensore ottico, sono:

  1. segnale in uscita direttamente proporzionale alla luminosità del fenomeno e quindi alla reazione che sta avvenendo istantaneamente;
  2. elevata risposta in frequenza (>100 kHz), con informazioni in tempo reale circa la cinetica-chimica e per l’individuazione delle fenomenologie collegate con l’instabilità sia termo-acustica che fluido-dinamica;
  3. utilizzo di teste ottiche in zaffiro (figura 3), che la rende non solo una tecnica non intrusiva, ma permette anche una osservazione diretta del processo combustivo (non c’è bisogno di finestra di quarzo appositamente progettate) ed è quindi particolarmente adatta all’utilizzo in camere di combustione di impianti reali;
  4. capacità di discriminare e riconoscere gli eventi precursori dei fenomeni di instabilità: il controllo basato su l’ODC agisce quindi prima che l’instabilità insorga e si verifichi effettivamente, cosa che l’utilizzo di sensori di pressione, normalmente in uso, non consente.

Fig. 3 - Testa ottica con fibra di zaffiro (Φ = 1 mm) in un contenitore protettivo di allumina (Φ ≈ 7 mm)
Fig. 3 - Testa ottica con fibra di zaffiro (Φ = 1 mm)in un contenitore protettivo di allumina (Φ ≈ 7 mm)

Il processo viene osservato attraverso le emissioni ottiche prodotte dalle fenomenologie in esame (di tipo fluidodinamico-chimico), questa caratteristica è di notevole importanza in quanto le fluttuazioni ottiche, non interagendo tra di loro, garantiscono l’integrità della informazione contenuta nel segnale. La trasduzione da segnale ottico a segnale elettrico viene effettuata dal sensore. Questa procedura permette un elevato grado di conservazione del contenuto informativo del segnale, perché le fenomenologie di interesse si distribuiscono su bande spettrali distinte: i fenomeni fluidodinamici (grandi vortici) sono confinati in una banda in bassa frequenza mentre quelli chimici occupano bande in alta frequenza.
Il segnale acquisito è ottico e pertanto può essere guidato, verso l’unità di analisi, tramite l’uso di opportune fibre ottiche, queste permettono di garantire una elevata immunità all’ostilità dell’ambiente di processo (alta temperatura, elevate vibrazioni meccaniche). In termini di risposta in frequenza il sensore attualmente in uso ha una banda di risposta da 0÷100 kHz e una sensibilità alla radiazione ottica che si estende 200÷1100 nm (ossia da UV a IR).

Il segnale trasdotto viene campionato ad alta frequenza (1 MHz) in modo da non perdere la risoluzione di banda del sensore. La successiva integrazione e mediatura del segnale permettono di abbattere sensibilmente il rumore di misura senza perdita di informazione: la banda rimane sempre molto superiore a quella del sensore.
La capacità di risolvere in frequenza e nel tempo i segnali acquisiti ha permesso di implementare sistemi capaci di individuare sfasamenti temporali delle strutture vorticose complesse dei gas combusti permettendone di stimare le loro velocità di trasporto. La tecnologia ha quindi permesso di mettere a punto sistemi anemometrici capaci di fornire una stima molto accurata di velocità in tempo reale.

Referenti:
E. Giulietti,
E. Giacomazzi,
C. Stringola,