Generatori di calore. Prof. Ing. P. Romagnoni Università IUAV di Venezia Dorsoduro 2206 Venezia

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1 Generatori di calore Prof. Ing. P. Romagnoni Università IUAV di Venezia Dorsoduro 2206 Venezia

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

3 I combustibili Combustibile Densità [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 ]

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5 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.

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7 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

8 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 )

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

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11 Per gli impianti al di sopra dei 35 kw i limiti di emissione e le caratteristiche delle biomasse combustibili sono definiti dal D.lgs. del 3 aprile 2006, n 152 "Norme in materia ambientale - Testo Unico Ambientale (TUA)". Si applica agli impianti nuovi e a quelli anteriori al 2006, autorizzati a partire dal 12 marzo Per apparecchi al di sotto dei 35 kw non esiste un'uniformità legislativa nazionale, ma singole regioni e comuni stanno adottando limiti e parametri propri per regolare emissioni e rendimenti. Le emissioni in atmosfera (ad eccezione degli impianti termici alimentati a biomassa e biogas) devono essere inferiori ai seguenti valori limite: polveri totali: 50 mg/nm 3 riferito ad un ora di funzionamento, esclusi avviamento, arresto e guasti; tenore volumetrico di ossigeno nell effluente gassoso arido: 3% per i combustibili liquidi e gassosi.

12 Il generatore di calore: teste di combustione

13 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.

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15 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.

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17 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/spenti.

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

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

20 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 Bruciatori ceramici

22 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 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 [-].

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25 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 ] / [ ] / [ ) ( 3 3

26 Le perdite dal mantello si possono ridurre con il concorso di più espedienti, costruttivi e progettuali: 1. con un efficace isolamento termico del mantello; 2. mantenendo bassa la temperatura media dell acqua nel generatore (ciò comporta l adozione di impianti a bassa temperatura; non tutti i generatori si prestano però per le condizioni di funzionamento che ne derivano); 3. dimensionando il generatore per l effettivo fabbisogno (un sovradimensionamento non giustificato genera un inutile aumento di costi ed un deprecabile aumento delle dispersioni passive); 4. installando i generatori in ambiente protetto (all interno dell involucro riscaldato o in apposita centrale termica).

27 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%)

28 Rendimento minimo secondo la Direttiva europea 92/42 CEE

29 Rendimento di combustione di caldaia q k A 1 ( A q A 100 ) L q S A1 ( CO 2 H s H B) i H i A = temperatura dei fumi; L = temperatura aria; A 1, B = fattori di combustione; = indice di condensazione (quantità di acqua di condensa/quantità teorica) CO 2 = concentrazione di anidride carbonica; q A = dispersione dei gas di scarico q S = disprersioni per irraggiamento H i = potere calorifero inferiore; H s = potere calorifero superiore

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31 dove: P f perdite di combustione (%); T f temperatura dei prodotti della combustione ( C); T a temperatura dell aria comburente ( C); O 2 concentrazione di ossigeno nei prodotti della combustione (% volume); CO 2 concentrazione di anidride carbonica nei prodotti della combustione (% volume).

32 Anche le perdite di combustione si possono ridurre con il concorso di più espedienti, costruttivi e progettuali: 1. migliorando la combustione, ossia riducendo l eccesso d aria, con assenza di incombusti (il limite è costituito dalla capacità del bruciatore di funzionare stabilmente con eccessi d aria molto bassi); 2. abbassando la temperatura dei fumi mediante l adozione di un sistema di scambio più efficiente (più abbondante); anche una temperatura più bassa dell acqua nel generatore contribuisce ad abbassare la temperatura dei fumi, migliorando il rendimento di combustione; nei generatori di calore tradizionali, allacciati a camini altrettanto tradizionali, il limite è costituito dalla necessità di assicurare il funzionamento del camino, il cui tiraggio, come è noto, è proporzionale, a parità di altre condizioni, alla temperatura dei fumi.

33 Le perdite al camino a bruciatore spento sono dovute al tiraggio del camino che, durante i periodi di inattività del bruciatore, aspira aria dall ambiente. Il flusso così aspirato, passando attraverso il generatore, asporta calore dalle sue strutture interne e lo convoglia al camino. Le perdite al camino a bruciatore spento possono essere ridotte con i seguenti criteri: 1. adottando bruciatori muniti di serranda in grado di chiudere accuratamente l ingresso dell aria comburente durante i periodi di fermata del bruciatore; 2. sigillando accuratamente ogni possibile ingresso d aria nel generatore; 3. abbassando la temperatura dei fumi, in modo da limitare il tiraggio; 4. inserendo regolatori di tiraggio, nel caso di tiraggio eccessivo.

34 La caldaia a condensazione Schema della tecnica di condensazione

35 Scarico condensa

36 Temperatura di condensa

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

39 Incidenza della temperatura di ritorno in caldaia

40 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

41 Incidenza della temperatura di mandata e ritorno sul rendimento stagionale

42 Rendimento stagionale

43 Recupero supplementare di calore da raffreddamento dei gas di scarico e condensazione

44 DPR 16 Aprile 2013, n 74

45 DPR 16 Aprile 2013, n 74

46 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 Devo dosare lo scambio termico

47 Il percorso dei fumi

48 Temperatura di condensa

49 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

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51 Scambio termico in regime laminare

52 Caldaia a condensazione con due attacchi Conduzione in caldaia

53 L installazione Figura 3: Installazione di una caldaia tradizionale 1) Regolatore; 2) Sonda esterna; 3) Corpi scaldanti; 4) Caldaia 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.

54 Nota: È auspicabile l impiego di circolatori modulanti che adattano la portata di acqua ai requisiti del sistema

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56 [ Qcaldaia Qtras Qric ] b QH 2O 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 ( int ext ) V = volume della zona riscaldata [m 3 ]; in = temperatura dell aria interna di progetto [ C]; 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.

57 Coefficienti termici per la determinazione delle potenze dei generatori 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

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

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

61 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

62 Metodo di calcolo Determinazione della temperatura esterna (normativa) Determinazione dei valori di temperatura interna, secondo norma, per ogni locale riscaldato. Calcolo normalizzato delle perdite termiche per trasmissione. Somma delle perdite termiche normalizzate di tutti i locali riscaldati, senza considerare il flusso di calore trasversale ai locali. Si otterrà cosi la perdita termica per trasmissione standard dell intero edificio. Calcolo delle perdite termiche per ventilazione, secondo norma, tenendo conto di eventuali installazioni meccaniche di ventilazione. Somma di tutte le perdite termiche nominali per ventilazione. Si otterrà cosi la perdita standard di ventilazione dell intero edificio. Calcolo del fabbisogno standard di potenza termica per l intero edificio (in W), tenendo conto dei fattori di correzione, in particolare per la ventilazione.

63 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

64 Localizzazione delle caldaie a gas

65 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

66 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.

67 camino

68 Il camino

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77 Per il calcolo dell energia richiesta è richiesta la definizione di (vedi UNI TS ) perdite di emissione: Perdite di energia termica che aumentano il fabbisogno delle unità terminali dovute a non omogenea distribuzione della temperatura dell'aria negli ambienti od a flussi di calore diretti verso l'esterno. perdite di regolazione: Perdite di energia termica dovute alla regolazione imperfetta della temperatura degli ambienti riscaldati. perdite di distribuzione: Perdite di energia termica della rete di distribuzione. perdite di produzione: Perdite di energia termica del sottosistema di produzione, comprese le perdite in funzionamento ed in stand-by nonché le perdite dovute al controllo non ideale del sistema di generazione, comprese le perdite recuperabili.

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81 La distribuzione del fluido termovettore

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83 Rendimenti della distribuzione da UNI TS

84 Rendimenti della distribuzione da UNI TS

85 Rendimenti della distribuzione da UNI TS

86 Verifiche impianto 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 g = ( Log P n ) % P n = potenza nominale della caldaia [kw] Se P n > 1000 kw g = 84%

87 Decreto MiSE 10 febbraio 2014 Modelli di libretto di impianto per la climatizzazione e di rapporto di efficienza energetica di cui al DPR 74/ 2013 A partire dal 1 Giugno 2014 in occasione degli interventi di controllo ed eventuale manutenzione su impianti di climatizzazione invernale Pn > 10 kw e di climatizzazione estiva con P n > 12 kw, il rapporto di efficienza energetica deve risultare conforme agli allegati II, III, IV e V del Decreto. Allegati disponibili in formato pdf sul sito del MiSE ( Al responsabile dell impianto è data facoltà di selezionare, far compilare e aggiornare le sole schede del libretto pertinenti alla tipologia dell impianto termico al quale il libretto si riferisce Nel caso di dismissione dell impianto le schede sono conservate per almeno 5 anni dalla data di dismissione.

88 Caldaie a pellet Efficienza 86-94% Hanno una potenza massima a partire da 10 kw e possono operare tra % della potenza massima Potenze massime di 40 kw Rilascio del pellet pneumatico dal camion allo stoccaggio di casa Trasferimento automatico di pellet al bruciatore e la rimozione di cenere Comuni in Austria

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90 Riscaldatori a resistenza elettrica Efficienza del 100% nel punto di utilizzo Facilmente controllabili - possono fornire solo la quantità di calore necessaria e non più Nelle case di super-isolate, circa 1/3 del calore totale richiesto viene da calore di scarto da illuminazione, elettrodomestici e apparecchiature elettroniche, in modo da una parte significativa del riscaldamento è già elettrico L efficienza complessiva incluse le perdite alla centrale di produzione di energia elettrica e di trasmissione può essere abbastanza bassa (30-40%)