30/04/2013. Generatori di calore a combustione

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1 Generatori di calore a combustione 1

2 Il generatore di calore a combustibile I generatori di calore Combustibile E CH Superficie di Confine del Sistema Aria comburente Generatore di calore Fluido in ingresso Fumi Calore disperso Fluido in uscita Q D Q F più usuali sono le caldaie. In esse un combustibile solido, liquido o gassoso viene fatto reagire con l ossigeno contenuto nell aria atmosferica. Da tale reazione chimica di ossidazione viene prodotto calore e prodotti gassosi di combustione (fumi) 2

3 La combustione Il metano CH 4, in presenza di O 2, fornisce la seguente reazione: CH O 2 CO H 2 O + calore in cui CO 2 e H 2 O sono i prodotti della combustione. Nell aria è presente anche l azoto N 2, che non interviene nella reazione: per ogni volume di O 2 sono presenti 7,52 volumi di altri gas (prevalentemente N 2 ). La reazione diviene: CH O 2 + 7,52 N 2 CO H 2 O + 7,52 N 2 + calore ovvero in totale 9,52 m 3 di aria per ogni m 3 di metano. 3

4 I combustibili Combustibile Densità ρ [kg/ m 3 ] Potere Calorifico Inferiore [MJ/ kg] propano 2,02 * 46,35 metano 0,717 * 50,2 gasolio 880,0 42,9 cherosene 790,0 43,5 benzina 740,0 44 olio combustibile ,5 44,6 torba 400,0 12,3 lignite 720,0 14,4 20,9 legna 400,0 1100,0 10,7 Tabella 1: Caratteristiche di alcuni combustibili [* kg/m N 3 ] 4

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6 Il processo di combustione è il maggiore produttore di particolato (air pollutants) 5 categorie di inquinanti: a) Prodotti di una combustione incompleta: Aerosol combustibili (solidi e liquidi), incluso fumo; monossido di carbonio, CO; idrocarburi gassosi b) Anidride carbonica, CO 2 c) Ossidi di Azoto (NO x ) monossido NO d) Emissioni da combustibili contaminanti: ceneri; metalli ossidi di Zolfo (SO 2, SO 3 ) e) Emissioni risultanti dagli additivi 6

7 La produzione di NO x varia con il tempo di permanenza dei gas combusti nel campo delle elevate temperature, con la temperatura della fiamma e con la pressione di O 2 nella zona di reazione (meno O 2 meno NO x ) 7

8 L emissione di CO varia tra mg/mj di energia inviata al generatore L emissione di particolato tra 2,2 2,6 mg/ MJ 8

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10 Una caldaia "tipo" è composta da: bruciatore, camera di combustione, scambiatore di calore, sistemi di controllo e sicurezza. Potenza al Focolare (Pf) Questa potenza è data dal prodotto del potere calorico inferiore del combustibile impiegato e della portata di combustibile [kw]. Potenza Termica Utile (Pn) Questa potenza è data dalla quantità di calore trasferita dal focolare al liquido circostante [kw]. Rendimento Termico Utile È il rapporto tra la potenza termica utile e la potenza termica al focolare [-]. 10

11 In funzione Spento 11

12 12 Rendimento della caldaia Br N u u Br A S N Q Q m kwh combustibile del calorifero potere H h m combustibile di oraria portata B B H focolare al Potenza Q fumi dai dispersa Potenza Q funzione in caldaia rivestimento dispersa dal Potenza Q caldaia della utile Potenza Q & & & & & & = = = = = = = = η ] / [ ] / [ ) ( 3 3

13 Il generatore di calore: teste di combustione 13

14 Bruciatori atmosferici o ad aria aspirata. Sono quelli in cui tutta o parte dell aria necessaria alla combustione è trascinata, in miscelazione, dal gas che esce dagli ugelli. Questa è detta aria primaria; la parte restante di aria, detta aria secondaria, normalmente esistente, per completare la combustione viene aspirata in caldaia per effetto del tiraggio. Questi bruciatori sono strettamente legati alle caratteristiche del focolare come forma, dimensioni, ecc. per cui debbono essere progettati per l adattamento ad ogni tipo di caldaia ed in pratica ne diventano parte integrante. 14

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16 Bruciatori ad aria soffiata. In essi l aria totale necessaria alla combustione del gas viene fornita, sotto pressione, da un ventilatore: il loro funzionamento è relativamente indipendente dal tipo di focolare se non per quanto riguarda la sua pressurizzazione. Sono le classiche macchine propriamente definite bruciatori. Dal punto di vista costruttivo si distinguono le seguenti parti principali: - parte ventilante, con il ventilatore mosso dal motore elettrico ed il convogliatore dell aria verso la testa; - circuito del gas, con la tubazione che porta il gas alla testa e gli organi di controllo e intercettazione (pressostato, elettrovalvole...); - testa di carburazione, per la miscelazione gas/aria, lo stabilizzatore della fiamma e gli elettrodi di accensione e controllo; - gli organi di controllo e sicurezza, come l apparecchiatura elettrica, il pressostato dell aria ecc. 16

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18 Tipi di funzionamento A seconda del tipo di funzionamento i bruciatori possono essere monostadio, multistadio, modulanti. -Monostadio sono del tipo tutto/niente (on/off) e cioè ad un regime di fiamma, portata max/spento. 18

19 Multistadio sono a due o più stadi di potenza, del tipo tutto/poco e cioè portata max/portata parziale/spento. 19

20 - Modulanti sono a potenza variabile tra il minimo e massimo e cioè portata max/portata intermedia variabile/spento. 20

21 Problemi dei bruciatori tradizionali - scarsa penetrazione dell ossigeno (e conseguente formazione di CO) - inadeguato tempo di reazione (allontanamento degli incombusti) - eccessiva temperatura di reazione che attiva la formazione di NO x in reazioni secondarie Bruciatori a matrice ceramica - matrice porosa ottima penetrabilità dei gas di combustione - basse emissioni - resistenza strutturale - assenza di fiamma 21

22 Bruciatori ceramici 22

23 Bruciatori ceramici Materiali Schiuma di carburo di Silicio e una struttura mista di fibre di Al 2 O 3, schiuma di ZrO 2 e strutture di C/SiC. Questi materiali possono essere usati fina a 1650 C In alcune applicazioni posso usare leghe di Fe- Cr- Al e Nichel La Zirconia resiste fino a 2300 C le leghe metalliche fino a 1250 C 23

24 Il generatore di calore: caldaia a basamento, gruppi termici 24

25 Tipologie di generatori - Caldaia standard: la temperatura media di esercizio è limitata dalla tipologia costruttiva; - Caldaia a bassa temperatura: possono funzionare in modo continuativo ad una temperatura di ingresso di C (può avvenire la condensa nei gas di scarico) - Caldaia a condensazione: sono realizzate per realizzare e sfruttare la condensazione del vapore acqueo dei gas di scarico La marchiatura CE delle caldaie a bassa temperatura e a condensazione è subordinata a soddisfare il rendimento minimo alla potenzialità massima utile o a carico ridotto (30%) 25

26 Rendimento minimo secondo la Direttiva Europea 92/42 CEE 26

27 Scarico condensa 27

28 Mentre nelle caldaie a bassa temperatura si deve evitare la condensazione dei gas di combustione e la conseguente umidità delle superfici di scambio termico, per la tecnica della condensazione è esattamente il contrario: qui la condensazione dei gas di combustione è necessaria per sfruttare l'energia termica latente contenuta nel vapore acqueo, in aggiunta al calore sensibile dei gas di scarico. Inoltre viene considerevolmente ridotta l'espulsione del calore residuo attraverso l'impianto gas di scarico poiché - rispetto alle caldaie a bassa temperatura - è possibile abbassare notevolmente la temperatura fumi 28

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30 Nelle caldaie a bassa temperatura, devo evitare la condensa dal lato fumi. La temperatura superficiale del tubo a contatto con il gas è determinata dalla temperatura dell acqua. Più elevata è la resistenza dello strato di tubo a contatto tra acqua e gas, più elevata è la differenza di temperatura. Più passaggi di fumi diminuisco la temperatura dei gas rischio condensa E necessario dosare lo scambio termico 30

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32 Le superfici di scambio sono ad un solo strato. La differenza di temperatura tra fumi ed acqua di ritorno in caldaia è di soli 5 15 K. L acqua di condensa è fatta defluire verso il basso per evitare concentrazioni acide dovute al rievaporare della condensa stessa 32

33 Scambio termico in regime laminare Grazie a speciali pressature, le singole spire sono tarate (a distanza di 0,8 mm) sulle particolari condizioni fluidodinamiche del gas di combustione. Questa distanza garantisce la formazione di una corrente laminare senza strato limite e consente la massima trasmissione del calore. La temperatura dei gas di combustione può essere raffreddata da 900 C a 50 C, in una lunghezza delle fessure di soli 36mm. 33

34 Andamento della temperatura dei gas di combustione e temperatura superficie lato fumi 34

35 Temperatura di condensa e contenuto in CO 2 35

36 Incidenza della temperatura di ritorno in caldaia 36

37 Schema della tecnica di condensazione 37

38 Il rendimento stagionale è il rapporto tra la quantità di calore utile rilasciata in un anno e la quantità di calore del combustibile fornita dal generatore Il dimensionamento di una caldaia avviene in modo tale che sia garantito il fabbisogno termico alla temperatura esterna più bassa. 38

39 Il vantaggio della tecnica della condensazione è particolarmente evidente proprio per fattori di carico ridotti: le caldaie a temperatura costante causano notevoli perdite di rendimento quando il fattore di carico diminuisce poiché anche con temperature dell'impianto di riscaldamento basse, la temperatura caldaia deve essere mantenuta a un livello alto. Ciò provoca un forte aumento della dispersione di calore, con la conseguente diminuzione del rendimento stagionale. Le caldaie a condensazione presentano un ottimo rendimento stagionale proprio con fattori di carico ridotti: per via del basso livello di temperatura dell'acqua di riscaldamento l'effetto della condensazione è particolarmente efficace. 39

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41 Incidenza della temperatura di mandata e ritorno sul rendimento stagionale 41

42 Il percorso dei fumi 42

43 Caldaia a condensazione con due attacchi Conduzione in caldaia 43

44 P P Più basse sono le temperature di ritorno più alto è il recupero (maggiore è la condensazione). E necessario non favorire l aumento della temperatura di ritorno. Nota: È auspicabile l impiego di circolatori modulanti che adattano la portata di acqua ai requisiti del sistema 44

45 Bollitore per H 2 O sanitaria Equilibratore idraulico 45

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48 La potenza termica di progetto & [ & & + & Qcaldaia = Qtras + Qric ] b QH2 O Q & tras = potenza termica dispersa per trasmissione dall involucro riscaldato (pareti opache e trasparenti, ponti termici, ) [W]; Q & ric = potenza dispersa per il ricambio dell aria dovuto alle infiltrazioni [W]; tale potenza può essere determinata con la seguente espressione: Q & ric = 0,34 n* V (θ int θ ext ) V = volume della zona riscaldata [m 3 ]; θ int = temperatura dell aria interna di progetto [ C]; θ ext = temperatura dell aria esterna di progetto [ C]; n* = numero di volumi all ora ricambiati [h -1 ] b = coefficiente di maggiorazione dovuto a intermittenze nel funzionamento, transitori, [-]. Si può porre b = 1,4 per l Italia del Centro - Nord e b = 1,5 per l Italia meridionale. 48

49 Una valutazione di massima. Carichi termici invernali Utenza generica W/m 3 Uffici 12 W/m 3 Ospedali W/m 3 Residenze 10 W/m 3 Scuole 16 W/m 3 Infiltrazioni 2 4 W/m 3 Potenza termica generatore W/m 3 49

50 L acqua calda per uso sanitario Q & H O = n c ρ G 2 η ( t ea t a ) n = numero di persone che usufruisce del servizio; c = calore specifico dell acqua = 4186,8 J/( kg K); ρ = densità dell acqua =1000 kg/ m 3 ; G = consumo medio giornaliero a persona (in un abitazione 0,080 0,150 m 3 ); t ea = temperatura di erogazione ( 45 C); t a = temperatura dell acqua proveniente dall acquedotto ( 15 C); η = rendimento del generatore di acqua calda. 50

51 Calore per la produzione di acqua calda Q w = ρ c V w (θ w θ 0 ) n gg Volume giornaliero [l / giorno] d acqua calda richiesta Temperatura dell acqua entrante nel sistema di produzione (θ 0 = 14 C) Per edifici residenziali: V w = m w S f bagni Temperatura dell acqua calda prodotta (standard = 40 C) 51

52 Superficie lorda Fabbisogno specifico m w [l/(m 2 gg)] Q w [MJ/(m 2 gg)] S < 50 m 2 3 0, S < 120 m 2 2,5 0, S < 200 m 2 2,0 0,210 S 200 m 2 1,5 0,157 Numero bagni Fattore f bagni ,33 3 o più 1,66 52

53 Localizzazione delle caldaie (D.M.Interno 12/04/1996) I locali non devono sottostare a locali di pubblico spettacolo, ad ambienti con affollamento > 0,4 pp/m 2 o a vie d uscita 53

54 Dimensioni centrale termica a metano interrata 54

55 A) B) Dimensioni centrale termica a GPL A) e a Metano B), poste fuori terra 55

56 La scelta di più caldaie è da preferirsi per sicurezza di esercizio. Più caldaie = più perdite al mantello Potenza equi-ripartita = condizioni idrauliche ottimali e manutenzione semplificata 56

57 Il sistema di evacuazione di fumi: il camino Il dimensionamento dei camini è effettuato sulla base di normative specifiche (UNI ,UNI , UNI 10640, UNI 10641) e di disposizioni legislative. canna fumaria collettiva ramificata (CCR): condotto asservito a più apparecchi installati su più piani di un edificio, realizzato solitamente con elementi prefabbricati che determinano una serie di condotti singoli (secondari), ciascuno dell altezza di un piano, e un collettore (primario) nel quale defluiscono i prodotti della combustione provenienti dai secondari comignolo: dispositivo posto alla bocca del camino/ canna fumaria che permette la dispersione dei prodotti della combustione anche in presenza di condizioni atmosferiche avverse. Il comignolo deve avere una sezione di uscita almeno doppia di quella del camino/ canna fumaria sul quale è installato. 57

58 Una caldaia a condensazione in funzione scarica continuamente una certa quantità d acqua. Si tratta di una portata abbastanza modesta: una caldaia da 28 kw funzionante a regime ed alla massima potenza, con temperatura media dell acqua a 35 C comporta una portata di scarico condensa pari a circa 2,5-2,7 litri/ora, equivalenti a circa 3 m 3 di acqua di condensa a stagione, contro circa 50 m 3 di acqua di scarico di tipo sanitario di una abitazione nello stesso periodo. La condensa prodotta dalla caldaia a condensazione è sostanzialmente acqua leggermente acida (il valore del ph è variabile da 3 a 5). 58

59 L acqua di condensa può essere particolarmente aggressiva (anche il succo di limone é acido); l unico accorgimento da adottare é quello di convogliarla per mezzo di tubazioni in acciaio inox o in PVC. Può essere scaricata senza problemi nelle acque nere, in quanto la modesta acidità dell acqua è completamente diluita e neutralizzata dalle acque degli scarichi sanitari, di tipo basico, poiché contengono anche grosse quantità di detersivi, detergenti, saponi, in soluzione. 59

60 Il camino 60

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67 Tabella 7. Canna collettiva ramificata (UNI 10640), caldaia di tipo B a tiraggio naturale, η = 90%, canale da fumo metallico non coibentato tipo CW DUE. Numero di piani serviti Potenzialità della singola caldaia [kw]; t fumi = 180 C / 14 16/ 14 16/14 16/14 16/ 14 18/ / 14 18/ 14 18/ 14 18/ 14 20/14 20/ / 14 20/ 14 20/ 14 n.d. n.d. n.d. Tabella 8: Dimensionamento canne collettive (UNI 10641), caldaia di tipo C, η = 90%, canale da fumo metallico non coibentato. Diametro della canna [cm] tipo CW EFFE. Numero di piani serviti Potenzialità della singola caldaia[kw]; t fumi = 120 C n.d n.d. n.d. n.d

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69 Verifiche sulla caldaia ai sensi del D. Lgs ogni 4 anni per impianti P n < 35 kw; - ogni 2 anni per impianti P n < 35 kw ma con anzianità di installazione di 8 anni; - ogni anno se P n 35kW Rendimento globale medio stagionale η g = ( Log P n ) % P n = potenza nominale della caldaia [kw] Se P n > 1000 kw η g = 84% 69

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72 D.M e relativi aggiornamenti: la temperatura massima dell acqua in mandata è 90 C 72