MISURE DI POTERE CALORIFICO E COMPOSIZIONE

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1 MISURE DI POTERE CALORIFICO E COMPOSIZIONE Potere calorifico dei combustibili: bomba calorimetrica e calorimetro di Junkers Composizione: gascromatografia Composizione dei gas combusti: o Sonda λ o Strumenti non dispersivi a raggi infrarossi o Strumenti a ionizzazione di fiamma o Strumenti a chemiluminsecenza 1

2 MISURA DEL POTERE CALORIFICO Il potere calorifico di un combustibile può essere misurato attraverso metodi calorimetrici anche senza conoscerne la composizione. Bomba calorimetrica (o calorimetro di Mahler) Si tratta di un sistema chiuso adatto a combustibili solidi. Il calore prodotto dalla combustione è assorbito da una massa di fluido di cui si misura l aumento di temperatura Il potere calorifico è quindi deducibile mediante la relazione: ( mw A) cw T H s = mcomb m w : massa d acqua A: equivalente in acqua del calorimetro m comb : quantità di combustibile 2

3 Calorimetro di Junkers Si tratta di un sistema aperto adatto a combustibili gassosi. Il gas in esame attraversa un misuratore di portata e viene quindi bruciato in camera di combustione I prodotti di combustione circolano in controcorrente rispetto all acqua di raffreddamento e cedono all acqua tutto il calore acquistato durante la combustione Il potere calorifico è determinabile mediante le misure di: o portata di combustibile o portata d acqua di raffreddamento o temperature ingresso e uscita dell acqua m wcw( T2 T1 ) H s = V H i m = w c w n, comb ( T T ) 2 1 m V n, comb cond r 3

4 MISURE DI COMPOSIZIONE La gascromatografia Il gas da analizzare viene convogliato mediante un gas inerte (detto gas di trasporto o fase mobile) attraverso una fase fissa (sostanza allo stato liquido o solido). Il processo di misura si basa sulla diversa affinità chimica (tendenza a formare legami secondari) che hanno le componenti del gas da analizzare con la fase fissa. Il campione viene raccolto da un rivelatore che genera un diagramma detto cromatogramma: dal tempo di ritenzione di ogni picco è possibile dedurre l'identità del composto; dall'area o dall'altezza dei picchi è possibile dedurre le concentrazioni o le quantità assolute dei vari composti presenti nel campione analizzato, a seconda del rivelatore impiegato. 4

5 La gascromatografia - rivelatori Sono tre le tipologie più comuni di rivelatore: a conducibilità termica (TCD): è costituito da due filamenti riscaldati elettricamente; sul primo filamento scorre il gas di trasporto puro, sul secondo il gas da analizzare; il secondo filamento subisce un raffreddamento o riscaldamento rispetto al primo in funzione della composizione del gas; la variazione di temperatura genera una variazione di resistenza, che, amplificata, determina il segnale in uscita dal rivelatore. a ionizzazione di fiamma (FID): il gas di trasporto mescolato a idrogeno, elio (o ad azoto, se l'idrogeno è il gas di trasporto) e ossigeno (aria) è bruciato. Mediante un elettrodo, i gas combusti vengono caricati elettricamente producendo ioni che vengono raccolti sulla superficie del rivelatore determinando una corrente elettrica che, amplificata, rappresenta il segnale in uscita. a cattura di elettroni (ECD): un radioisotopo è impiegato per emettere elettroni (raggi β) che sono catturati da un collettore, determinando una corrente elettrica in un apposito circuito. Il flusso di gas, attraversando lo spazio tra il radioisotopo e il collettore, cattura parte degli elettroni e riduce la corrente sul circuito; tale riduzione produce il segnale in uscita dal rivelatore. 5

6 La gascromatografia rivelatori conducibilità termica (TCD): o rivelatore universale : sensibile sostanzialmente a tutte le sostanze o minor risoluzione e sensibilità ionizzazione di fiamma (FID): o limitato a sostanze combustibili o particolarmente sensibile a composti organici o molto diffuso cattura di elettroni (ECD): o molto più sensibili delle altre due tipologie (utile per rivelare tracce di componenti) o particolarmente sensibili a sostanze alogene e composti organometallici o scarsa risposta dinamica 6

7 MISURE DI COMPOSIZIONE DEI GAS COMBUSTI Sonda λ Misura la quantità di ossigeno presente nei fumi di scarico. Si tratta di una cella elettrolitica ad elettrolita solido a base di ossido di zirconio che separa due elettrodi in platino poroso. I due elettrodi sono rispettivamente a contatto con la corrente di gas combusti e con l'aria atmosferica. La cella quindi separa due miscele di gas in cui l'ossigeno è presente con concentrazioni differenti; si ha dunque l'attivazione di reazioni di ossidoriduzione sugli elettrodi che portano alla formazione di una fem. In funzione della differenza di potenziale rilevata tra i due elettrodi si calcola la concentrazione di ossigeno nei fumi. 7

8 Strumenti non dispersivi a raggi infrarossi Permettono di misurare la concentrazione di vari componenti tra i quali CO, CO 2, O 2. Si basano sul fatto che un gas, esposto a radiazioni infrarosse, assorbe quelle di una determinata lunghezza d'onda, legata alle caratteristiche della sua struttura atomica. 8

9 Strumenti a ionizzazione di fiamma Servono a rilevare la presenza di HC nei fumi. Sfruttano il fatto che una fiamma di idrogeno in aria produce una quantità trascurabile di ioni mentre una combustione di idrocarburi produce una ionizzazione notevole. Lo strumento è costituito da un bruciatore in cui un flusso calibrato del gas da analizzare attraversa una fiamma di idrogeno in aria. Si produce quindi una quantità di ioni proporzionale al numero di atomi di carbonio complessivamente presenti che vengono rilevati da due elettrodi posti nelle vicinanze della fiamma. 9

10 Strumenti a chemiluminescenza Sono utilizzati per la misura della concentrazione degli ossidi di azoto. Sfruttano la seguente reazione chimica: NO O NO + O + hν L emissione di radiazione è quindi proporzionale alla quantità di NO presente. Per rilevare anche l NO 2 lo si converte prima del rivelatore in reattore catalitico. 10