Adattare bruciatori, caldaie e turbine esistenti all'idrogeno o alle miscele con idrogeno è diventata una domanda ingegneristica frequente. L'idrogeno differisce nettamente dal gas naturale in alcune proprietà critiche, e quelle differenze agiscono direttamente sulle ipotesi di progetto.
La velocità di fiamma è molto più alta
La velocità di fiamma laminare dell'idrogeno è parecchie volte quella del metano. La conseguenza diretta:
Rischio di ritorno di fiamma. In un bruciatore premiscelato la fiamma può risalire controcorrente ed entrare nella regione di miscelazione. Una velocità nel condotto di miscelazione sicura per il gas naturale può non esserlo per l'idrogeno. È il vincolo più concreto che si incontra nella conversione all'idrogeno.
La temperatura di fiamma è più alta
Una temperatura di fiamma stechiometrica più alta significa due cose: i flussi termici alle pareti crescono e gli NOx termici crescono esponenzialmente. Impoverire la miscela per abbassare la temperatura è il rimedio, ma questo restringe il margine di stabilità. Vedi la nota sugli NOx e la nota sulla stabilità di fiamma.
La densità è molto bassa
Trasportare la stessa energia richiede una portata volumetrica molto maggiore. Le linee del combustibile, le valvole e gli iniettori esistenti sono dimensionati sui volumi del gas naturale; con l'idrogeno le stesse linee risultano sottodimensionate oppure la perdita di carico diventa inaccettabile.
La bassa densità significa anche che in caso di fuga il gas sale rapidamente e si accumula a soffitto — il progetto della ventilazione deve tenerne conto, ed è un problema di convezione naturale e dispersione.
Il carattere dell'irraggiamento è diverso
Una fiamma a idrogeno non produce fuliggine e il vapore acqueo è l'emettitore dominante. L'irraggiamento che raggiunge la parete ha una struttura spettrale diversa da quella di una fiamma a idrocarburi; un approccio a gas grigio tarato sugli idrocarburi produce con l'idrogeno un errore sistematico [1]. Vedi la nota sull'irraggiamento.
Un avvertimento di modellazione
L'elevata diffusività dell'idrogeno crea effetti di diffusione preferenziale: la frazione di miscela locale si scosta da quanto prevede una semplice ipotesi di frazione di miscela. I modelli di combustione basati sulla miscelazione richiedono quindi più cautela con l'idrogeno.
Riferimenti
- Magnussen, B. F. & Hjertager, B. H. (1977). On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 16(1), 719–729. DOI: 10.1016/S0082-0784(77)80366-4
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.