RR4 - brevetti.enea.itbrevetti.enea.it/PDF_brevetti/601_tbi.pdf · l'andamento del coefficiente di cross-correlazione, l'andamento del coefficiente di autocorrelazione, lo ... zione

601 PROSPETTO MODULO A DOMANDA DI BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE

RR4 2 O Oi• n oriv 0015 NUMERO DI DOMANDA: DATA DI DEPOSITO:

A. RICHIEDENTEII COGNOME E NOME O DENOMINAZIONE, RESIDENZA OSTATO;

ENEA — Ente per le Nuove tecnologie, l'Energia e l'Ambiente Lungotevere G.A. Thaon di Revel, 76— 00196 Roma (RM), ITALIA

22 Mano 2006

• C. TITOLO - "Metodo e relativo dispositivo per la misura della velocità assiale dei gas combusti".

SEZIONE CLASSE SOTTOCLASSE GRUPPO SOTTOGRUPPO

E. CLASSE PROPOST

O. RIASSUNTO L'invenzione riguarda un metodo per la misurazione della velocità assiale dei gas combusti, detto metodo comprendendo le fasi di: - predispone di due sistemi di rilevazione con teste ottiche poste su un piano passante per l'asse del bruciatore e con vista ortogonale all'asse stesso con i rispettivi centri posti ad una distanza Az,

- variare detta distanza Ar per stabilire la distanza minima di dette teste ottiche, per cui la sovrapposizione delle aree di interrogazione (campi visivi dei sistemi di rilevazione) impedisce di ottenere valori di velocità attendibili; - porre detti sistemi di rilevazione ad una distanza Ax dall'asse del bruciatore; - elaborare i dati rilevati da detti sistemi visualizzandone l'andamento trend temporale, lo spettro in frequenza, l'andamento del coefficiente di cross-correlazione, l'andamento del coefficiente di autocorrelazione, lo sfasamento tra i due segnali in corrispondenza di ogni singola frequenza calcolato mediante cross-spettro di potenza e la velocità calcolata.

PRINCIPALE

ODC 1

ODC_2

onde ottiche a fibra

s

— El1/4Ef, 2 MI

Ne. . 4/./ tilta "Wk-

11. III

FIRMA DEL / DEI RICHIEDENTE /1

601 DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione

industriale avente per titolo:

"Metodo e relativo dispositivo per la misura della

velocità assiale dei gas combusti"

Titolare: ENEA - ENTE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L'E-

NERGIA E L'AMBIENTE

Inventori: Romano BRUSCHI, Marco GROTTADAUREA, Euge-

nio GIACOMAZZI, Stefano GIAMMARTINI, Caterino

STRINGOLA, Vincenzo CASASANTA, Emanuele GIULIETTI,

Federico MANFREDI

* * *

L'invenzione riguarda un metodo e relativo di-

spositivo per la misura della velocità assiale dei

gas combusti.

Più dettagliatamente, l'invenzione riguarda un

metodo e relativo dispositivo del tipo detto, parti-

colarmente semplici nel sistema di acquisizione, po-

tendo fornire l'informazione in tempo reale, operare

in ambienti fortemente ostili, e soprattutto essendo

immune agli stati di anomalia funzionale del combu-

store (come l'humming).

Attualmente, le tecniche sperimentali più accu-

rate utilizzate per stimare la velocità di un flusso

di gas sono l'Anemometria Laser Doppler (LDA) e

- 3 - 601

l'anemometro a filo caldo. Si tratta di tecniche in-

trusive, che possono anche richiedere un inseminante,

come nel caso dell'LDA; inoltre, il filo caldo non

può essere utilizzato in fiamme. Ciò le rende poco

utilizzabili nel caso di impianti industriali e vali-

de unicamente nella sperimentazione di laboratorio.

La Richiedente, partendo dalle osservazioni di

cui sopra, e alla luce anche della tecnologia da essa

brevettata con la domanda di brevetto Italiana n°

RM2004A000157, avente ad oggetto un "Sistema di rile-

vazione e diagnosi di stato di combustione e relativo

procedimento, applicabile in particolare a combusto-

ri", noto anche come, e riferito nel seguito come

ODC, il cui contenuto è qui incorporato per riferi-

mento, ha realizzato una innovativa metodologia non

intrusiva che consente la misurazione della velocità

assiale dei gas combusti.

La soluzione proposta secondo la presente in-

venzione si applica in particolare a flussi aventi

energia radiante e prevede l'utilizzo della summen-

zionata tecnologia non intrusiva ODC che si basa

sull'acquisizione ed analisi della fluttuazione

dell'emissione luminosa dei gas caldi trasportati

dalle strutture turbolente del processo di combustio-

ne.

601 - 4 -

Forma pertanto oggetto specifico della presente

invenzione un metodo per la misurazione della veloci-

tà assiale dei gas combusti, detto metodo comprenden-

do le fasi di:

- predisporre di due sistemi di rilevazione con teste

ottiche poste su un piano passante per l'asse del

bruciatore e con vista ortogonale all'asse stesso con

i rispettivi centri posti ad una distanza Az,

- variare detta distanza Az per stabilire la distanza

minima di dette teste ottiche, per cui la sovrapposi-

zione delle aree di interrogazione (campi visivi dei

sistemi di rilevazione) impedisce di ottenere valori

di velocità attendibili;

- porre detti sistemi di rilevazione ad una distanza

&dall'asse del bruciatore;

- elaborare i dati rilevati da detti sistemi visua-

lizzandone l'andamento temporale, lo spettro in fre-

quenza, l'andamento del coefficiente di cross-

correlazione, l'andamento del coefficiente di auto-

correlazione, lo sfasamento tra i due segnali in cor-

rispondenza di ogni singola frequenza calcolato me-

diante cross-spettro di potenza e la velocità calco-

lata.

- 5 - 601

Preferibilmente, secondo l'invenzione, detti

sistemi di rilevazione sono sistemi di rilevazione e

diagnosi di stato di combustione o ODC.

Ancora secondo l'invenzione, detti sistemi di

rilevazione prevedono fasci di fibre ottiche monomo-

dali necessari alla collimazione, ossia a contenere

la divergenza del campo visivo.

Preferibilmente, secondo l'invenzione, in detto

metodo la distanza Azè pari a 60 mm.

Ulteriormente, secondo l'invenzione, in detto

metodo si esegue il contemporaneo movimento di en-

trambi i sensori lungo gli assi x, y, z tramite il

tra versing.

Secondo l'invenzione, detta distanza Ax viene

aumentata, se la collimazione non è efficiente, au-

mentando anche il campo visivo dei due sistemi di ri-

levazione e riducendo la risoluzione spaziale.

Sempre secondo l'invenzione, la distanza dei

sensori dall'asse del bruciatore Ax è preferibilmente

pari a 100 mm

Nel metodo secondo l'invenzione, la velocità

calcolata è associata al punto medio del segmento che

collega i centri delle aree di campionamento, la me-

todclogia per il calcolo della componente assiale

della velocità, essendo basata sul fatto che lo spet-

601 -6-

tro di energia radiante è legato allo spettro

dell'energia cinetica turbolenta, e consente dunque

l'individuazione delle scale fluidodinamiche caratte-

ristiche della turbolenza.

Ancora nel metodo secondo l'invenzione,

l'efficienza dei sistemi di rilevazione è condiziona-

ta dall'estensione dei range ottici e dei campi visi-

vi, quest'ultima deve essere inferiore alle dimensio-

ni delle strutture osservate.

Nel metodo secondo l'invenzione, la velocità

viene preferibilmente calcolata mediante le seguenti

fasi:

• acquisizione dei segnali in una finestra tempo-

rale di 0,25 secondi e con una frequenza di cam-

pionamento equivalente di 25 kHz (sono in realtà

campionati a 1MHz e mediati a gruppi di 40 pun-

ti);

• cross-correlazione per l'individuazione dello

sfasamento temporale dei segnali;

• il rapporto tra la distanza nota tra i due sen-

sori e lo sfasamento temporale calcolato è la

componente assiale della velocità del flusso.

L'invenzione riguarda inoltre un dispositivo

per la misurazione della velocità assiale dei gas

combusti a un bruciatore, detto dispositivo compren-

- 7 - 601

dendo due sistemi di rilevazione, con teste ottiche

poste su un piano passante per l'asse del bruciatore

e con vista ortogonale all'asse del bruciatore, con

distanza Az tra i loro centri, e distanza Ax

dall'asse del bruciatore, e un sistema di elaborazio-

ne dei dati rilevati da detti sistemi di rilevazione.

Preferibilmente, secondo l'invenzione, detti

sistemi di rilevazione sono sistemi di rilevazione e

diagnosi di stato di combustione o ODC.

Ancora secondo l'invenzione, detti sistemi di

rilevazione prevedono fasci di fibre ottiche monomo-

dali necessari alla collimazione, ossia a contenere


Preferibilmente, secondo l'invenzione, la di-

stanza Azè pari a 60 mm.

Sempre secondo l'invenzione, la distanza dei


pari a 100 mm.

La realizzazione del metodo secondo

l'invenzione consente:

1. l'individuazione di strutture fluidodinamiche-

radiative persistenti, a valle del fronte di

fiamma;

2. la misura dello sfasamento temporale con cui una

stessa struttura turbolenta è rilevata ottica-

- 8 - 601

mente fra due punti di distanza nota permette la

determinazione della velocità del gas di combu-

stione rispetto alla direzione della retta indi-

viduata dai due punti;

3. un metodo di stima della conservazione delle

strutture nello spazio e nel tempo;

4. un metodo di stima della portata massica e della

spinta per applicazioni terrestri ed aeronauti-

che;

5. un metodo di conservazione dell'efficienza anche

in caso di instabilità termoacustica;

6. una metodologia di misura della velocità e quel-

la diagnostica coesistono;

7. un sistema immune alle vibrazione meccaniche,

pertanto è usabile sia su impianti di terra che

su quelli aeronautici.

La presente invenzione verrà ora descritta, a

titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue

forme preferite di realizzazione, con particolare ri-

ferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra la disposizione della stru-

mentazione e la posizione del sistema di riferimento

utilizzata per il calcolo della componente assiale di

velocità;

- 9 - 601

la figura 2 mostra l'andamento dei segnali ot-

tici acquisiti con (Re=4000, 0=0,6 y=0 [mm] zm=30

[mm] Az=60 [mm]);

la figura 3 mostra l'andamento dei segnali ot-

tici acquisiti con (Re=4000, 0=0,6 y=0 [mm] zm=60

[mm] Az=60 [mm]);

la figura 4 mostra l'andamento del coefficiente

di auto-correlazione del segnale tipico;

la figura 5a mostra la distribuzione normaliz-

zata dei valori della componente assiale di velocità

con (Re=4000, 0=0,6 y=0 [mm] zm=30 [mm] Az=60 [mm]);

la figura 5b mostra la distribuzione normaliz-



la figura 6a mostra la distribuzione normaliz-



la figura 6b mostra la distribuzione normaliz-



la figura 7 mostra l'andamento del coefficiente

di cross-correlazione in funzione della quota a nume-

ro di Reynolds diversi;

la figura 8 mostra un confronto tra la compo-

nente assiale media di velocità del flusso determina-

601 ta mediante sensori ottici e mediane LDA (Re=4000,

0=0,6);

la figura 9 mostra il confronto tra la compo-

nente assiale media di velocità del flusso determina-

ta mediante sensori ottici e mediante LDA (Re=4000,

0=0,6);

la figura 10 mostra il SETUP su un impianto

turbogas TG3000;

le figure ha - d mostrano, rispettivamente la

storia, lo spettro in frequenza, la distribuzione

delle velocità, e la storia della moda del test di

figura 10;

le figure 12a - 12d mostrano, rispettivamente,

la storia, lo spettro in frequenza, la distribuzione

delle velocità, e la storia della moda del test di

figura 10;

le figure 13a - 13d mostrano, rispettivamente,

la storia, lo spettro in frequenza, la distribuzione

velocità misurate, e la storia della moda del test di

figura 10;

la figura 14 mostra l'andamento temporale dei

gradini di variazione della portata dell'aria di com-

bustione effettuati nei tre test di misura;

la figura 15 mostra un pannello di configura-

zione dello strumento anemometrico;

601 la figura 16 mostra il pannello di spettri in

frequenza bi-logaritmo; e

la figura 17 mostra il pannello visione segnale

di input e presentazione del valore della velocità

assiale.

Osservando inizialmente la figura l, si nota il

set-up sperimentale per il bruciatore da laboratorio.

Per stimare la componente assiale della velocità si

sono utilizzati due sistemi ODO le cui teste ottiche

(fasci di fibre ottiche monomodali necessari alla

collimazione, ossia a contenere la divergenza del

campo visivo) vengono posti su un piano passante per

l'asse del bruciatore e con vista ortogonale all'asse

stesso ed i cui rispettivi centri sono ad una distan-

za Az di 60 mm. Questa può essere variata per stabi-

lire la distanza minima a cui la sovrapposizione del-

le aree di interrogazione (campi visivi dei sensori)

impedisce di ottenere valori di velocità attendibili.

Inoltre, è possibile il contemporaneo movimento di

entrambi i sensori lungo gli assi x, y, z tramite il

traversing. La distanza dei sensori dall'asse del

bruciatore è Ax, pari a 100 mm, distanza che rappre-

senta un parametro critico, poiché al suo aumentare,

se la collimazione non è efficiente, aumenta anche il

601 -12-

campo visivo dei due teste ottiche e si riduce la ri-

soluzione spaziale.

Il sistema di acquisizione è costituito da due

sistemi ODC implementati su una scheda di acquisizio-

ne per la lettura in parallelo dei segnali (NIDAQ

6110) in uscita dai due sensori ottici, e da un pro-

gramma sviluppato in LADVIEW che effettua l'analisi

dati e ne visualizza il trend temporale, lo spettro

in frequenza, l'andamento del coefficiente di cross-




diante cross-spettro di potenza, la velocità calcola-

ta.

La velocità calcolata è associata al punto me-

dio del segmento che collega i centri delle aree di

campionamento dei due fotodiodi. La metodologia per

il calcolo della componente assiale della velocità

secondo l'invenzione, si basa sul fatto che lo spet-




ristiche della turbolenza. L'efficienza dei sistemi è

condizionata dall'estensione dei range ottici e dei

campi visivi, che deve essere inferiore alle dimen-

-13- 601

sioni delle strutture osservate (in modo da poter se-

guire la loro evoluzione dinamica). La cross-

correlazione tra i segnali rilevati dai due sensori

permette di individuare lo sfasamento e dunque il ri-

tardo temporale associato alla macroscala trasportata

convettivamente dal flusso. Il calcolo della velocità

si realizza con i seguenti passi:

- acquisizione dei segnali in una finestra tem-

porale di .25 secondi e con una frequenza di campio-

namento equivalente di 25 kHz (sono in realtà campio-

nati a 1MHz e mediati a gruppi di 40 punti);

- cross-correlazione per l'individuazione dello


- il rapporto tra la distanza nota tra i due

sensori e lo sfasamento temporale calcolato è la com-

ponente assiale della velocità del flusso.

La possibilità di lavorare ad una elevata fre-

quenza di campionamento aumenta la risoluzione tempo-

rale che permette a sua volta di ridurre lo spazio

tra le due teste di misura. Il contenimento di questa

distanza diminuisce l'intrusività (in alcuni test è

stata ridotta a 20 mm) e, non essendo necessari gros-

si accessi ottici, permette al sistema di misurare

componenti radiali della velocità del flusso.

601 - 14-

Il sistema secondo l'invenzione è basato fonda-

mentalmente sulla capacità delle strutture fluidodi-

namiche prodotte di conservare per un certo tempo le

proprie caratteristiche dinamiche, in quanto, rileva-

te dal primo dispositivo ottico, si ripropongono, do-

po un certo tempo, con una forma similare, trasporta-

te dal flusso, al secondo sensore.

E' noto come nel flusso si ha formazione, dis-

sipazione, deformazione e trasporto delle strutture

vorticose; il valore dell'indice di Cross-

correlazione fornisce la stima qualitativa del deca-

dimento delle strutture, o meglio può essere un para-

metro di valutazione della loro vita media, una in-

formazione utile alla diagnostica del processo.

L'approccio statistico è necessario per verifi-

care la condizione stazionaria del processo e di con-

seguenza la consistenza delle misure fatte. Nelle

condizioni citate ci si aspetta una distribuzione dei

valori di velocità di tipo gaussiano, come risulta

dai grafici riportati in allegato.

Per validare i valori della componente assiale

di velocità calcolati con la metodologia secondo

l'invenzione, sono state inizialmente scelte condi-

zioni di flusso già precedentemente studiate con tec-

niche LDA e PI'] relative ad un bruciatore assialsim-

601 - 15 -

metrico da laboratorio dotato di bluff-body per anco-

rare la fiamma; in particolare, le condizioni di

flusso sono definite dal numero di Reynolds, pari a

4000 e 8000, e dal rapporto di equivalenza, pari a

0.6.

I nodi della matrice sperimentale coincidono

con le posizioni del punto medio del segmento che

congiunge i centri delle due teste ottiche (60 m);

tale posizione è rappresentativa della componente as-

siale della velocità media.

I segnali acquisiti sono rappresentati nelle

figure allegate su due scale diverse in modo da com-

pensare la resa dinamica dei sensori e la possibile

differenza di intensità dovuta alla differenza di

quota. Si può notare che il segnale luminoso rilevato

dal primo sensore, rosso, è sfasato in anticipo ri-

spetto a quello rilevato dal secondo sensore, bianco,

in entrambe le immagini. Inoltre, si nota che, ad una

quota superiore, il segnale rilevato dal primo senso-

re (il più basso) risente meno delle fluttuazioni di

alta frequenza; come si noterà nel seguito, il senso-

re più basso risente della presenza della zona di ri-

circolo a valle del bluff-body del bruciatore analiz-

zato.

601 -16-

E' importante notare che l'oscillazione

(intorno ai 15 Hz) del fronte di fiamma viene

osservata nei due punti diversi dei sensori grazie

alla persistenza delle strutture, che sono diverse

tra di loro (uniche). (vedere le figure 2 e 3),

permettendo in questo modo una migliore

identificazione (risoluzione) dello sfasamento

temporale tra i segnali dei sensori analizzati

tramite cross-correlazione.

La verifica dell'unicità delle strutture viene

effettuata tramite l'autocorrelazione dei segnali

(vedere la figura 4): il decadimento veloce del

coefficiente notato in figura dimostra la bassa

coerenza del segnale (casualità della forma delle

strutture). Le fluttuazioni di tipo armonico sono

generate dalle fluttuazioni caratteristiche del

fronte di fiamma. Di conseguenza, si può affermare

che le strutture possono essere considerate "eventi

unici", o meglio firme, e che la loro individuazione

in punti differenti è dovuta senz'altro al loro

trasporto nel flusso.

Venendo ora ad osservare le figure 5a e 5b,

relative al flusso con un numero di Reynolds pari a

4000, sono mostrate le distribuzioni del valore della

- 17-

601 componente assiale di velocità calcolata. Dai grafici

si osserva che:

• il grafico tende ad essere generalmente di tipo

gaussiano, come atteso in condizioni

stazionarie;

• al crescere della quota i valori calcolati si

addensano attorno al medesimo valore;

• esiste una maggiore incertezza a valori di quota

bassi.

Risultati analoghi ai precedenti si riscontrano

nel caso di Re=8000 e 0=0.6 (figure 6a e 6b), anche

se la maggiore velocità del flusso comporta una

dispersione dei valori maggiore. Inoltre, come verrà

evidenziato nel seguito, il valore calcolato a bassa

quota è da considerarsi non indicativo a causa

dell'effetto negativo della zona di ricircolo a valle

del bluff-body (occorrerebbe un'area di misura più

piccola).

Si nota anche che i valori di skewness e kurto-

sis determinati direttamente dai valori della compo-

nente assiale di velocità tendono al valore assunto

nel caso di gaussiana, e confermano la stazionarietà

del sistema e la validità delle misure. Tali valori

tendono sempre più al valore atteso con il crescere

della quota.

-18-

601 Come mostrato dalle immagini allegate, il prin-

cipale motivo per cui il coefficiente di cross-

correlazione cresce con la quota è legato alla posi-

zione dell'area vista dal primo sensore (quello più

vicino al bruciatore): è necessario che esso si trovi

al di fuori della zona di ricircolo; infatti le

strutture che si creano persistono per un certo tempo

durante il quale sono trasportate dal flusso. Si os-

serva anche come i valori stimati della velocità as-

siale sono meno dispersi.

Con la metodologia secondo l'invenzione è pos-

sibile ricavare il valore medio della componente as-

siale della velocità on -line ponendo semplicemente un

limite minimo al coefficiente di cross-correlazione e

riducendo la finestra temporale a meno di un secondo

fino ad ottenere la risposta in frequenza desiderata.

L'unico limite per la riduzione della finestra tempo-

rale è dato dalla consistenza del segnale: infatti,

diminuiscono i valori campionati e diminuisce anche

la caratteristica di unicità della struttura.

Osservando ora la figura 7, è stata effettuata

una serie di misure a diverse quote, e con valori del

numero di Reynolds diversi, in modo da ottenere una

sequenza temporale dei valori della componente assia-

le di velocità (Us ) (in bianco con scala a destra) e

-19- 601

del valore del coefficiente di cross-correlazione (in

rosso con scala a sinistra nella figura 7).

Per entrambi i valori del numero di Reynolds,

si osserva che il valor medio del coefficiente di

cross-correlazione tra i due segnali cresce e si sta-

bilizza al crescere della quota, ovvero cresce la

possibilità di rivedere la medesima struttura, sfasa-

ta temporalmente. Pertanto, è possibile affermare che

le teste ottiche devono essere posizionate al di so-

pra del fronte di fiamma per ottenere risultati con-

sistenti e stabili.

Nella allegata Tabella l è raffigurato

l'andamento dei principali indici statistici, in fun-

zione della quota; si vede che solo nel caso di Re =

4000, che corrisponde ad una velocità del flusso meno

elevata e ad una lunghezza di ricircolo inferiore, il

valor medio della velocità calcolata cresce con la

quota come atteso e come verrà descritto nel succes-

sivo paragrafo; al contrario (vedere la Tabella 2),

nel caso di velocità media del flusso maggiore (Re =

8000) si nota che tale valore tende a decrescere ed

in particolare tende a coincidere col valore fornito

da LDA solo per quote alte.

Nelle tabelle: g [m/s]valor medio; a [

m/s]deviazione standard; p, skewness; 132 kurtosis;

601 - 20 -

TABELLA 1 - Andamento degli

zione della quota (Re = 4000

indici statistici in fun-

0 = 0,6)

Pos. 30 40 50 60 70 80

[mm]

11 [m/s] 2,995988 2,730044 2,829455 2,952971 2,970851 3,161172

a [m/s] 1,048436 0,9316502 0,5108173 0,2436985 0,1382474 0,1417223

p, -2,571845 -3,691308 -6,634989 -8,354686 0,1880781 -0,1959726

P2 12,46868 16,70881 54,19948 155,9813 3,242381 2,726761

TABELLA 2 - Andamento degli indici statistici in fun-

zione della quota (Re = 8000 0 = 0,6)

Pos. 30 40 50 60 70 80

[mm]

ji [m/s] 8,36732 7,93127 7,6199 7,32543 7,12504 6,94615

a [m/s] 0,55799 0,49022 0,46133 0,41003 0,35182 0,30287

p, 0,05293 0,1436 -0,0602 0,16214 0,18102 -0,1974

P2 2,50318 3,06147 2,62562 3,03292 2,79747 3,01458

Dagli indici calcolati si può notare che nel

caso di velocità del flusso più bassa, i coefficienti

e '82 , rispettivamente skewness e kurtosis, coinci-

dono con quelli attesi solo a quota elevata, mentre

restano generalmente corretti ad elevata velocità del

flusso. Tuttavia, come detto nel paragrafo preceden-

te, in questo secondo caso il coefficiente di cross-

-21 - 601

correlazione rimane mediamente piuttosto basso com-

portando un errato valor medio. Fattore comune per

entrambe le campagne sperimentali è la varianza, che

decresce in entrambi i casi con la quota, il che si

traduce in una sempre minore dispersione dei valori

al crescere della quota.

Osservando ora le figure 8 e 9, si esamina la

validazione per il confronto tra la nuova metodologia

e l'anemometria laser doppler (LDA).

In particolare, dalle figure 8 e 9 si osserva

che le misure della componente assiale media della

velocità ottenuta tramite due ODC e con LDA sono pa-

ragonabili, considerando anche la notevole distanza

tra i dispositivi ottici e la dimensione dell'area di

campionamento (bassa risoluzione spaziale). Si osser-

va anche che per il caso con valore del numero di Re-

ynolds maggiore emerge che la componente assiale di

velocità del flusso calcolata mediante ODO è parago-

nabile a quella ottenuta con LDA solo ad una quota

molto elevata. Questo potrebbe essere attribuibile

alla maggiore velocità del flusso che comporta un mi-

nore valore dell'indice di cross-correlazione; un au-

mento della risoluzione spaziale ed una riduzione

della distanza tra i sensori darebbe anche in questo

caso dei miglioramenti.

- 22 -

601

Si è inoltre osservata una discreta sensibilità

della tecnica ODC alle grandi variazioni della velo-

cità nel tratto prossimo al bruciatore (prossimo alla

zona di ricircolo), in termini di riduzione del valo-

re dell'indice di cross-correlazione. Infatti, se ci

si allontana sensibilmente dal ricircolo, le varia-

zioni della velocità diventano molto minori e quindi

anche l'accuratezza dello strumento migliora come mo-

strato nella precedente analisi statistica.

Nel seguito si descriverà un test su impianto

turbogas TG3000 (ANSALDO CALDAIE - GIOIA DEL COLLE -

BA)

Il dispositivo realizzato è stato testato, nel-

la sua versione prototipale, su di un impianto turbo-

gas da 3 MWt, TG3000, dotato di accesso ottico in

prossimità del bruciatore. I due sensori sono stati

assemblati in modo da essere collocati ad una inter-

distanza di 100 mm e posti longitudinalmente in pros-

simità della finestra ottica. S1 e S2 sono le teste

ottiche in fibra ottica al quarzo, necessarie anche

perché la temperatura in prossimità della finestra è

elevata per via dell'effetto radiante.

I test sono stati effettuati aumentando il

flusso dell'aria di combustione in tre passi in modo

- 23 -

601 che il flusso finale dell'aria fosse il doppio di

quello di partenza.

Già nel secondo passo, corrispondente al primo

aumento di portata d'aria, il turbogas TG3000 presen-

ta un leggero stato di humming, che viene facilmente

individuato dal sistema di analisi. Lo stato di hum-

ming diventa consistente, ma ancora di intensità ac-

cettabile (fuori range di pericolosità) quando il

flusso d'aria viene raddoppiato (terzo passo). In

presenza di humming la fiamma pulsa con una frequenza

che diventa quella caratteristica del sistema, ed in-

fluenza il sistema di iniezione: questo giustifica la

migrazione del picco di frequenza da 22 a 122Hz.

Attraverso l'analisi delle emissioni ottiche

sono state valutate le velocità assiali dei gas com-

busti nelle varie fasi. Il valore della velocità as-

siale è stato calcolato prendendo in considerazione

la fase dell'armonica contenuta nel range considerato

fluidodinamico (1-200 Hz) con contenuto energetico

più elevato, ed in questo caso associata alla pulsa-

zione della fiamma.

Dalla Fig. 11 relativa alla prima fase, si nota

che lo spettro in frequenza rivela una frequenza fon-

damentale di 22 Hz; la distribuzione dei valori di

- 24 -

601 velocità calcolati presenta una forma consistente e

un valore di moda stabile di 28m/s.

Dalla Fig. 12 relativa alla seconda fase, si

nota che già l'andamento temporale evidenzia la pre-

senza di armoniche di frequenza più alta. L'aumento

della portata dell'aria di combustione tende ad inne-

scare un leggero stato di instabilità, evidenziato

dallo spettro in frequenza. Il valore dell'armonica

di interesse oscilla tra 22 e 122Hz; i valori di ve-

locità mostrano una distribuzione consistente con una

moda di 41 m/s, coerente con la variazione di flusso

prodotta (in accordo con le tabelle dell'Ansaldo).

La figura 13 corrisponde ad un flusso d'aria

circa doppio di quello di partenza. L'instabilità

humming è continua, ma di entità trascurabile, con

una frequenza stabile di pulsazione della fiamma pari

a 122Hz. I valori di velocità calcolati hanno una di-

stribuzione consistente con una moda della velocità

di 68 m/s.

I risultati sono risultati consistenti e coe-

renti con quelli previsti.

Osservando ora le figure 15 - 17, è mostrato

uno strumento anemometrico, sviluppato in ambiente

LabView ed eseguibile in real-time, che è costituito

da tre pannelli interattivi in cui è possibile confi-

-25-

601 gurare i parametri di acquisizione (vedere la figura

15), osservare il contenuto in frequenza del cross-

spectrum e la distribuzione in delle componenti se-

condo la metodologia di lettura definita dall'ODC,

(vedere la figura 16), osservare i segnali di ingres-

so dei due sensori, e valutarne le coerenze ed la di-

stribuzione dei valori della velocità assiale stima-

ta, (vedere la figura 17).

Lo strumento è stato testato su un bruciatore

da laboratorio, durante il test in parallelo veniva

effettuata anche la misura tramite LDA per verificare

l'efficienza di misura. La coerenza dei valori era

elevata.

Riassumendo quanto ottenuto con la metodologia

e il dispositivo secondo l'invenzione, la tecnica e

l'interpretazione del segnale ottico associato

all'ODC sono state sviluppate partendo dalla summen-

zionata domanda di brevetto Italiana RM2004A000157.

In particolare, l'interpretazione dello spettro di

energia radiante come spettro di energia cinetica

turbolenta ha consentito di fare un passo in avanti

portando alla stima della velocità del flusso. La va-

lidazione della tecnica è stata fatta misurando la

velocità assiale media dei gas combusti di un brucia-

tore assialsimmetrico da laboratorio, i cui dati di

- 26 -

601 velocità, sia LDA che PIV, erano già disponibili.

Un'ulteriore validazione è stata realizzata su un im-

pianto di scala maggiore, il TG3000 dell'Ansaldo Cal-

daie.

L'aspetto maggiormente innovativo, dal punto di

vista della ricerca, consiste nell'aver individuato

l'esistenza di strutture fluidodinamiche che,

generatesi subito al di là del fronte di fiamma, si

propagano per un certo tempo conservando la loro

caratteristica radiativi, permettendo la

realizzazione dell'innovativo sistema anemometrico.

Come evidenziato, il principio di funzionamento

consiste nella individuazione di una stessa struttura

fluidodinamica in punti diversi dello spazio per

mezzo della cross-correlazione dei segnali di energia

radiante campionati da due sensori ottici. Il fatto

che non possono esistere strutture identiche rende

consistente e risolutivo il meccanismo del calcolo

dello sfasamento tramite il riconoscimento di una

stessa struttura in punti diversi.

Lo sfasamento tra i due segnali dà la misura

del tempo di ritardo associato al passaggio della

stessa struttura; il rapporto tra la distanza

relativa dei centri delle aree viste dai due sensori

e questo tempo, fornisce la stima della velocità nel

- 27 - 601

punto medio del segmento che congiunge i centri

stessi.

Il dispositivo secondo l'invenzione può fornire

l'informazione in tempo reale, di operare in ambienti

fortemente ostili, e soprattutto è immune agli stati

di anomalia funzionale del combustore (come

l'humming).

La presente invenzione è stata descritta a

titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue

forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi

che variazioni e/o modifiche potranno essere

apportate dagli esperti nel ramo senza per questo

uscire dal relativo ambito di protezione, come

definito dalle rivendicazioni allegate.

- 28 -

601 RIVENDICAZIONI

l. Metodo per la misurazione della velocità as-

siale dei gas combusti, detto metodo essendo caratte-

rizzato dal fatto di comprendere le fasi di:

- predisporre di due sistemi di rilevazione con teste

ottiche poste su un piano passante per l'asse del

bruciatore e con vista ortogonale all'asse stesso con

i rispettivi centri posti ad una distanza Az,

- variare detta distanza Az per stabilire la distanza

minima di dette teste ottiche, per cui la sovrapposi-

zione delle aree di interrogazione (campi visivi dei

sistemi di rilevazione) impedisce di ottenere valori

di velocità attendibili;

- porre detti sistemi di rilevazione ad una distanza

Axdall'asse del bruciatore;

- elaborare i dati rilevati da detti sistemi visua-

lizzandone l'andamento trend temporale, lo spettro in

frequenza, l'andamento del coefficiente di cross-




diante cross-spettro di potenza e la velocità calco-

lata.

2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratte-

rizzato dal fatto che detti sistemi di rilevazione

- 29 - 601

sono sistemi di rilevazione e diagnosi di stato di

combustione o ODC.

3. Metodo secondo una delle rivendicazioni pre-

cedenti, caratterizzato dal fatto che detti sistemi

di rilevazione prevedono fasci di fibre ottiche mono-

modali necessari alla collimazione, ossia a contenere



cedenti, caratterizzato dal fatto che la distanza Azè

pari a 60 mm.


cedenti, caratterizzato dal fatto che si esegue il il

contemporaneo movimento di entrambi i sensori lungo

gli assi x, y, z tramite il traversing.


cedenti, caratterizzato dal fatto che detta distanza

Ax viene aumentata, se la collimazione non è effi-

ciente, aumentando anche il campo visivo dei due si-

sterni di rilevazione e riducendo la risoluzione spa-

ziale.


cedenti, caratterizzato dal fatto che la distanza dei


pari a 100 mm

- 30 -

601 7. Metodo secondo una delle rivendicazioni pre-

cedenti, caratterizzato dal fatto che la velocità

calcolata è associata al punto medio del segmento che

collega i centri delle aree di campionamento, la me-

todologia per il calcolo della componente assiale

della velocità, essendo basata sul fatto che lo spet-




ristiche della turbolenza.


cedenti, caratterizzato dal fatto che l'efficienza

dei sistemi di rilevazione è condizionata

dall'estensione dei range ottici e dei campi visivi,

quest'ultima deve essere inferiore alle dimensioni

delle strutture osservate.


cedenti, caratterizzato dal fatto che la velocità

viene calcolata mediante le seguenti fasi:

• acquisizione dei segnali in una finestra tempo-

rale di .25 secondi e con una frequenza di cam-

pionamento equivalente di 25 kHz (sono in realtà

campionati a 1MHz e mediati a gruppi di 40 pun-

ti);

- 31 -

601 • cross-correlazione per l'individuazione dello


• il rapporto tra la distanza nota tra i due sen-

sori e lo sfasamento temporale calcolato è la

componente assiale della velocità del flusso.

10. Dispositivo per la misurazione della velo-

cità assiale dei gas combusti a un bruciatore, detto

dispositivo comprendendo due sistemi di rilevazione,

con teste ottiche poste su un piano passante per

l'asse del bruciatore e con vista ortogonale all'asse

del bruciatore, con distanza Ai tra i loro centri, e

distanza Ax dall'asse del bruciatore, e un sistema

di elaborazione dei dati rilevati da detti sistemi di

rilevazione.

11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10,

caratterizzato dal fatto che detti sistemi di rileva-

zione sono sistemi di rilevazione e diagnosi di stato

di combustione o ODC.


caratterizzato dal fatto che detti sistemi di rileva-

zione prevedono fasci di fibre ottiche monomodali ne-

cessari alla collimazione, ossia a contenere la di-

vergenza del campo visivo.

- 32 -

601 13. Dispositivo secondo la rivendicazione 10,

caratterizzato dal fatto che la distanza AZ è pari a

60 mm.


caratterizzato dal fatto che la distanza dei sensori

dall'asse del bruciatore Ax è preferibilmente pari a

100 mm.

Roma, 2 ,;". 2006

p.p.: ENEA - ENTE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L'ENERGIA

E L'AMBIENTE

BARZANO' & ZANARDO ROMA S.p.A. CJ/A16193

601 1/7

r->

Fia.1

Fig.2

Fig.3

601 2/7

Fig.4

Fig.5a

Fig.5b

Fig.6a

Fig.6b

601 3/7 80 mm

30 mm ~P al 11211-

Re=8000 S=O ,6 5 Fig. 7 5

4,5

4 —

cn E — 3,5

3

2,5

2

• " z=30 ODC

a27=40 ODC

• 71-50 ODC

• z=60 ODC

be70 ODC

O z=80 ODC

z=30 LDA

• z-40 LDA • z=-50 LDA

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Y mmi Fig. 8

601 4/7

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

3' i milal

Fig. 9

TG3000 Finestra di osservazione

Direzione del flusso

odc2 I liodel

Fig. 10

601 5/7 a

a

Fig. 11

601 6/7

Fig. 1 2

Fig. 13

601 7/7

Fig.14

Fig.15

601

Documents

RR4 - brevetti.enea.itbrevetti.enea.it/PDF_brevetti/601_tbi.pdf · l'andamento del coefficiente di cross-correlazione, l'andamento del coefficiente di autocorrelazione, lo ... zione