LA CONDENSAZIONE LA CONDENSAZIONE CFP MANFREDINI ESTE (PD) Insegnante. Padovan Mirko 1

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1 POTERE CALORIFICO DEI COMBUSTIBILI Il potere calorifico è la quantità di calore prodotta dalla combustione completa di 1 m³ di combustibili gassosi. Generalmente i combustibili hanno un determinato quantitativo di umidità che durante la combustione si trasforma in vapore, ottenendo così il calore latente di evaporazione. Per potere calorifico di un combustibile però si tiene conto il potere calorifico superiore (P.C.S.) o il potere calorifico inferiore (P.C.I.). - P.C.S. di un combustibile è la quantità di calore prodotta dalla combustione di quel combustibile considerando il vapore acqueo, formatosi durante la combustione. - P.C.I. di un combustibile è la quantità di calore prodotta dalla combustione di quel combustibile, senza la quantità di calore contenuta nel vapore d acqua formatosi durante la combustione. Si tiene a far presente che nelle caldaie tradizionali interessa principalmente il potere calorifico inferiore (P.C.I.) del metano e non quello superiore (P.C.S.), in quanto dal potere calorifico del gas bisogna escludere il calore di condensazione del vapore d acqua formatosi durante la combustione (escludendo ovviamente le caldaie a condensazione). Dalla tabella sopra si può vedere che dal calore sviluppato dal metano PCS a quello utilizzato da una caldaia tradizionale PCI, l 11,20% viene perso in calore latente. Con una caldaia a condensazione, invece, una buona parte di questo viene recuperato. CALORE SENSIBILE, CALORE LATENTE, ENTALPIA La quantità di energia applicata per fare passare un liquido dal punto di ebollizione al punto di evaporazione è chiamato calore di evaporazione o calore latente. Il calore sensibile è quel calore che applicato ad una sostanza, da una temperatura posta sopra al punto di fusione, passa al punto di ebollizione. Mirko 1

2 L entalpia è la somma delle energie applicate ad un fluido sotto forma di calore e di lavoro. Le caratteristiche dell acqua possono essere illustrate in un diagramma temperatura-entalpia. Il diagramma inizia con l acqua a temperatura di 0 C dove anche l entalpia è 0 (Kcal/kg). Applicando calore sensibile si ha un cambio da A a B corrispondente ad un aumento di temperatura di 100 C. La linea B-C corrisponde al calore latente (calore di evaporazione), mentre la linea C-D mostra gli effetti del calore sensibile sul vapore cioè il surriscaldamento. Mirko 2

3 CONDENSAZIONE Il contrario del cambiamento da liquido a vapore (ebollizione) è la condensazione in cui il vapore ritorna liquido. Raffreddando i fumi sino al punto di rugiada, avviene la condensazione del vapore acqueo contenuto negli stessi con la contemporanea restituzione dell identica quantità di energia che era stata in precedenza fornita all acqua per trasformarla in vapore. I generatori di calore denominati appunto a condensazione sono di norma provvisti di doppio scambiatore di calore o di scambiatore maggiorato, inserito sul passaggio fumi, ciò al fine di sottrarre agli stessi la maggior quantità possibile di calore (calore latente o di evaporazione). Nelle caldaie tradizionali invece non viene condensato il vapore acqueo contenuto nei fumi, proprio perché la temperatura degli stessi è volutamente mantenuta al di sopra della temperatura di condensazione. Infatti nelle tradizionali i fumi vengono di norma inviati al camino a temperature abbastanza elevate ( C), ciò per evitare nocive formazioni di condensa lungo i condotti fumari e nel medesimo tempo per realizzare un discreto moto convettivo naturale (tiraggio), perlomeno sufficiente ad evacuare i fumi. SCHEMI DI FUNZIONAMENTO DELLLE CALDAIE. Caldaia a gas tradizionale: bruciatore atmosferico, tiraggio naturale e camera di combustione aperta. Mirko 3

4 Caldaia a gas definita comunemente ad alto rendimento : bruciatore atmosferico, tiraggio forzato e camera di combustione stagna. Rendimento medio con una caldaia a gas a condensazione: bruciatore a premiscelazione, tiraggio forzato e camera di combustione stagna. Mirko 4

5 Per prima cosa va precisato che la temperatura al di sotto della quale il vapore acqueo contenuto nei fumi comincia a condensare (punto di rugiada), nel caso del metano corrisponde all incirca a 56 C (in condizioni stechiometriche, cioè senza eccesso d aria). In queste condizioni è possibile recuperare la gran parte dell entalpia di trasformazione (calore latente) e l entalpia di riscaldamento (calore sensibile). Con le caldaie a condensazione è possibile effettuare quasi completamente questo recupero entalpico; infatti facendo raffreddare i fumi tramite uno speciale scambiatore ci verrà restituita in buona parte la quantità di energia impiegata in precedenza. La temperatura dei fumi in uscita della caldaia avranno una temperatura residua attorno ai 40 C. Lo scarico della condensa e la legge. Sappiamo che per ogni metro cubo di gas metano bruciato, si ottengono due metri cubi di vapore acqueo surriscaldato, secondo la nota reazione: CH O 2 CO H 2 O Metano ossigeno anidride acqua carbonica In una civile abitazione, una caldaia a condensazione può produrre Kg di condensa al giorno e risulta ad essere debolmente acida (PH = 3,5 4,5), la stessa acidità di un succo d arancia. Una tale quantità di condensa in scarico e con una così debole acidità, non rappresenta affatto un problema ambientale in quanto tale acidità si annulla con gli scarichi basici dei lavandini domestici (detersivi, ecc.); anzi nei piccoli impianti termici la condensa acida in scarico può essere ritenuta un po ecologica in quanto mantiene puliti gli scarichi domestici. In presenza invece di grandi impianti, sarà bene installare un neutralizzatore di condensa a monte della rete pubblica di smaltimento. Mirko 5

6 E LA TIPOLOGIA IMPIANTISTICA ABBINATA. Con un impianto dove la distribuzione del calore avviene a bassa temperatura (impianti a pannelli radianti a pavimento, soffitto) la temperatura dell acqua di ritorno in caldaia è normalmente al di sotto della temperatura di rugiada del vapore acqueo contenuto nei gas di combustione, sicché vi è un maggior recupero del calore latente rispetto ad un impianto in cui la distribuzione del calore avviene in modo più tradizionale, come radiatori, ecc. Tanto minore è la temperatura dell acqua in ingresso (ritorno) in caldaia, tanto maggiore è il recupero di calore. Ciò detto risulta evidente che un abbinamento impiantistico a pannelli radianti ed un generatore di calore a condensazione, rappresenta il massimo ottenibile in fatto di risparmio energetico. IL CALORE A BASSA TEMPERATURA (i pannelli radianti). Tra le caratteristiche più importanti del sistema di riscaldamento a pavimento con pannelli radianti vi è quella di fornire il calore richiesto utilizzando energia termica ad una temperatura particolarmente bassa (25 45 C). Simile tipologia impiantistica diventa una scelta quasi obbligata allorquando si decida di realizzare impianti termici abbinati al solare, a pompa di calore o comunque ad altri sistemi in grado di fornire energia a basso livello termico. Vantaggi degli impianti a pannelli radianti L aria ambiente quando viene in contatto con la superficie dei corpi scaldanti, diviene più leggera e pertanto sale verso il soffitto per poi ridiscendere al pavimento dopo essersi raffreddata a contatto con le pareti disperdenti; a causa di ciò si vengono a stabilire zone di aria più calda a soffitto e più fredda in prossimità del pavimento. Sappiamo invece che per garantire in un ambiente condizioni di benessere termico è bene mantenere delle zone un po più calde a pavimento e meno a soffitto; tali condizioni le si ottengono unicamente con una distribuzione del calore a pavimento che, nella fattispecie, è rappresentata dall impianto a pannelli. Va considerato che, data la loro particolare posizione e soprattutto in quanto la cessione di calore avviene in massima parte per irraggiamento, evitano il formarsi di moti convettivi d aria calda verso il soffitto e perciò un abbattimento del gradiente termico. Ciò unitamente al fatto di funzionare a bassa temperatura, evitando il sollevamento di polveri e la combustione del pulviscolo atmosferico, Mirko 6

7 caratteristiche negative proprie dei tradizionali corpi riscaldanti, in particolare se fatti funzionare a temperatura elevata (70 80 C). Negli impianti termici ad ampia superficie radiante, a causa del maggior coefficiente d irradiazione, la temperatura della superficie interna delle pareti è di norma superiore (circa 2 C) rispetto alla temperatura dell aria ambiente del locale interessato. Tale particolarità fisica, rapportata agli impianti tradizionali in cui vengano impiegati normali caloriferi, consente di abbassare di circa 2 C la temperatura dell aria del locale (tramite il termostato ambiente), pur mantenendo il medesimo grado di benessere; infatti la velocità dell aria nel riscaldamento per radiazione è molto bassa e ciò provoca una sensazione di benessere. Ecco la ragione per cui si è soliti dire che nelle abitazioni con riscaldamento a pannelli radianti è possibile impostare al termostato una temperatura ambiente di circa 18 C, per avere lo stesso grado di benessere riscontrabile in quei locali riscaldati in modo tradizionale (radiatori ecc.) dove la temperatura operante sia di 20 C. Oltre a ciò rimane il fatto che una reale diminuzione di temperatura ambiente di 2 C incide sul consumo finale, con un risparmio approssimativo del 15% (è dimostrato che ad ogni grado in meno di temperatura ambiente corrisponde un costo di riscaldamento inferiore di circa il 7%). Confronto della temperatura operante in locali riscaldati per convezione (caloriferi) ed altri per irraggiamento (pannelli radianti) Mirko 7

8 I BRUCIATORI DI GAS TRADIZIONALI ED I BRUCIATORI A PREMISCELAZIONE Di norma la caldaie a condensazione adottano bruciatori a premiscelazione. Per comprendere meglio le caratteristiche di funzionamento di un bruciatore di gas ad aria premiscelata è necessario fare una premessa tecnica ed analizzare il funzionamento dei due tipi di bruciatori ad aria aspirata e quello ad aria soffiata. A) caldaie con bruciatore ad aria aspirata (ad aria indotta): nei bruciatori ad aria aspirata il gas esce da un foro calibrato alla pressione di distribuzione e si miscela con l aria comburente. Questo sistema che può essere definito statico, demanda il proprio funzionamento al dimensionamento dell ugello e dell aspirazione aria. La quantità d aria però può dipendere dal tiraggio del camino, dalla resistenza della camera di combustione, dalle condizioni meteorologiche ecc.. In conclusione il rapporto aria-gas non è costante. B) caldaie con bruciatore a premiscelazione totale: nei bruciatori ad aria premiscelata, l aria comburente viene premiscelata con il gas combustibile in quantità stechiometrico e viene tenuta ogni momento controllata da una scheda elettronica.. IL RENDIMENTO DELLE CALDAIE A CONDENSAZIONE Nelle caldaie a condensazione hanno valori del rendimento strabilianti, tutte superiori al 100%, valori che compaiono contrari ad ogni bilancio energetico e considerazione fisica di quanto accade in natura. Ovviamente tutto questo non può essere vero, ma vediamo il perché dai produttori vengono forniti questi dati : nelle caldaie tradizionali il rendimento è sempre stato calcolato in base al PCI e non si è mai ritenuto opportuno conteggiare il calore latente in quanto già dato per perso. Ora, invece, che le caldaie a condensazione riescono a recuperare una buona parte del calore latente, per calcolare il rendimento bisogna tenere conto del PCS. Mirko 8

9 Mirko 9

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