METODOLOGIE DI RISPARMIO DI ENERGIA TERMICA

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1 Corso di formazione ed aggiornamento professionale per Energy Managers-Trenitalia BOLOGNA Giugno 2011 METODOLOGIE DI RISPARMIO DI ENERGIA TERMICA Ing. Nino Di Franco ENEA-UTEE-IND

2 IL CONTROLLO DELLA COMBUSTIONE Il primo passo, propedeutico per una qualunque diagnosi energetica, è la determinazione dell efficienzaefficienza con cui viene prodotta potenza termica utile. Il concetto si traduce nel determinare l efficienza di combustione dei generatori di calore presenti, e verificarne la correttezza.

3 LA COMBUSTIONE La combustione è una reazione chimica di ossidazione caratterizzata da: sviluppo di calore (la reazione è esotermica) grande velocità di reazione sviluppo in fase gassosa Affinché possa svilupparsi, la combustione necessita della presenza di: un combustibile un comburente un innesco che porti localmente ad elevata temperatura i reagenti

4 Generatore di calore G fluido, h in G fluido, h out G fluido = portata in massa del fluido riscaldato h fluido out h fluido in = entalpie del fluido in ingresso-uscita dal generatore G comb = portata in massa di combustibile PCI = potere calorifico inferiore del combustibile G comb, PCI

5 L efficienza del generatore di calore è definita dalla seguente espressione: Efficienza = Energia fornita al fluido di lavoro Energia fornita con il combustibile! L equazione operativa conseguente è: Efficienza = G fluido " (h fluido out - h fluido in ) G combustibile " PCI!

6 L equazione: Efficienza = G fluido " (h fluido out - h fluido in ) G combustibile " PCI necessita di diverse misure (portate, temperature, pressioni dei diversi fluidi).! Nella pratica, si utilizza una differente equazione che tiene in conto tutte le perdite di calore: Efficienza = 100 (%perdite) Per poterla utilizzare, devono essere conteggiate TUTTE le forme di perdite. Le PERDITE DI CALORE sono energia che non viene trasferita al fluido di lavoro per incrementarne il contenuto energetico, ma che viene onerosamente dissipata nell ambiente.

7 Perdite nei generatori di calore In un generatore di calore hanno luogo tre tipi di perdite: Q 1 = PERDITE NEI FUMI Q 2 = PERDITE PER INCOMBUSTI Q 3 = PERDITE PER IRRAGGIAMENTO Altri tipi di perdite (per attacca-stacca, per effetto camino allo spegnimento, spurghi, ecc...) sono di minor importanza.

8 Bilancio termico di un generatore di calore Calore sensibile nei gas Calore per incombusti Calore al processo Altri tipi di perdite Calore per irraggiamento Calore nel combustibile Calore nell aria preriscaldata

9 ! 1) PERDITE NEI FUMI Le perdite nei fumi sono spesso la causa primaria di una ridotta efficienza di combustione. Energia viene dissipata allorché un fumo viene scaricato dal generatore al camino. La perdita è funzione della portata di aria che attraversa il generatore e della temperatura a cui il gas viene scaricato: Q 1 = c f " G f " ( T f # T ) a [kw ] In cui: - c f, G f, T f sono rispettivamente calore specifico, portata e temperatura di rilascio del gas - T a è la temperatura ambiente

10 1) PERDITE NEI FUMI E PIU PRATICO ESPRIMERE LE PERDITE COME PERCENTUALE DELL ENERGIA NEL COMBUSTIBILE ADOTTANDO LA SEGUENTE FORMULA:! Q 1 = K s T f " T a CO 2 % [ ] - K s = Costante di Hassenstein (funzione del contenuto di CO 2 nei fumi e del tipo di combustibile)! - CO 2 = Percentuale di Biossido di Carbonio in volume nei fumi

11 1) PERDITE NEI FUMI Q 1 = K s T f " T a CO 2 [%] Valori della costante di Hassenstein K s Combustibile CO! 2 Metano Gasolio O.C. Carbone 4 0,418 0,523 0,543 0, ,427 0,530 0,550 0, ,437 0,536 0,556 0, ,447 0,543 0,563 0, ,457 0,550 0,570 0, ,466 0,557 0,576 0, ,476 0,564 0,583 0, ,486 0,571 0,590 0, ,578 0,596 0, ,585 0,603 0, ,592 0,610 0, , ,695

12 1) PERDITE NEI FUMI LA FORMULA: Q 1 = K s T f " T a CO 2 % [ ] deriva dallo sviluppo della definizione di una perdita percentuale.!! Nel caso per es. della combustione del metano, questo originerebbe: Q 1 = c f G f (T f " T a ) G comb PCI = $ c f & 9,6 # 11,6 % CO 2 1# PCI [ ] +1 ' ) ( (T f " T a )

13 ! 1) PERDITE NEI FUMI Esercizio Valutare le perdite per calore sensibile nei fumi per combustione di gasolio, nelle seguenti condizioni: CO 2 misurata nei gas 13,0 % Temperatura ambiente 20 C Temperatura dei gas 230 C Q 1 = K s T f " T a CO 2 = " = 9.45 [%]

14 1) PERDITE NEI FUMI DOSAGGIO DELL ARIA COMBURENTE L Eccesso d Aria è un espressione che indica quanta aria in più viene utilizzata rispetto a quanto strettamente necessario. Se: V r = Volume di aria reale V t = Volume di aria teorico (stechiometrico) Eccesso d'aria E(%) = V r "V t V t #100! n =1+ E 100! Indice d'aria n = V r V t "100 Se l indice d aria è: n = 1.34 l eccesso d aria è: E = 34%

15 1) PERDITE NEI FUMI DOSAGGIO DELL ARIA COMBURENTE Misurando i parametri della combustione, si può determinare l eccesso d aria con le seguenti equazioni della combustione: n = 1 1" 0,048 O 2 + 0,014 CO [ ] max [ ] n = CO 2 CO 2 Elevato eccesso d aria: elevate perdite nei fumi! Insufficiente eccesso d aria:! presenza di incombusti nei fumi

16 1) PERDITE NEI FUMI Per es., per la combustione del metano si ha la seguente relazione tra CO 2 nei fumi ed indice d aria: Da una misura della CO 2 nei fumi è immediato ricavare l indice d aria.

17 1) PERDITE NEI FUMI L eccesso d aria deve essere fissato al valore ottimale regolando la portata d aria in proporzione alla portata di combustibile. La misura automatica dell ossigeno nel gas esausti comanda normalmente un servomeccanismo che pilota la serranda di ammissione dell aria sul bruciatore. In funzione della velocità con cui fluttua la richiesta di calore, l eccesso d aria è controllato automatica- o manual-mente. Allorché l eccesso d aria viene ridotto, si possono formare incombusti (es. CO o particolato) che possono eccedere i limiti di emissione. Ciò limita la possibilità di aumentare l efficienza energetica diminuendo l eccesso d aria.

18 1) PERDITE NEI FUMI La Particolato portata dei e CO gasnei esausti gas esausti aumenta, e con essa le perdite Aria Combustibile

19 1) PERDITE NEI FUMI ULTERIORI CAUSE DI PERDITE E POSSIBILE RISCONTRARE INCOMBUSTI CON UN BRUCIATORE IMPOSTATO CORRETTAMENTE ED ANCHE CON ELEVATO ECCESSO D ARIA POSSIBILI CAUSE NON CORRETTA GEOMETRIA DELLA FIAMMA OSTRUZIONE O USURA DEGLI UGELLI VERIFICARE INOLTRE LO STATO DELL ISOLAMENTO NEL MANTELLO

20 1) PERDITE NEI FUMI DOSAGGIO DELL ARIA COMBURENTE: COMPOSIZIONE DEI GAS ESAUSTI 4 regimi di combustione: 1) stechiometrico 2) in eccesso d ariad 3) in difetto d ariad si: CO 2, H 2 O, N 2, SO 2 no: O 2, combustibile, CO si: CO 2, H 2 O, N 2, SO 2, O 2 no: comb., CO si: CO 2, H 2 O, N 2, SO 2, combustibile, CO no: O 2 4) incompleto si: CO 2, H 2 O, N 2, SO 2, O 2, combustibile, CO no:

21 1) PERDITE NEI FUMI EFFETTO DELLA TEMPERATURA DEI FUMI Le perdite nei fumi sono date da: Q 1 = c f " G f " ( T f # T ) a T fumi! K P t = K S ΔT S T acqua

22 1) PERDITE NEI FUMI SE LA POTENZA TERMICA SCAMBIATA È: K S ΔT...LE CAUSE DI UNA ELEVATA T f SONO: LO SPORCAMENTO DELLE SUPERFICI DI SCAMBIO TERMICO (LATO FUMI E/O LATO ACQUA) IL NON CORRETTO ACCOPPIAMENTO BRUCIATORE-CALDAIA (BRUCIATORE TROPPO POTENTE) SE LA T f NON PUÒ ESSERE DIMINUITA (ES. CALDAIE AD OLIO DIATERMICO) IL CALORE DEI FUMI PUÒ PRERISCALDARE L'ARIA COMBURENTE

23 1) PERDITE NEI FUMI Se i fattori K e S sono bassi, si possono adottare diverse strategie: K: pulendo le superfici di scambio progressivamente ricoperte da incrostazioni carboniose (lato fumi) o da calcare (lato acqua), allo scopo di mantenere un alta efficienza di scambio K: incrementando il trasferimento di calore aumentando la trasmittanza (per es. installando turbolatori, o altri dispositivi che aumentano la turbolenza dei fluidi che si scambiano calore) S: verificando che l offerta di calore non ecceda la domanda. Ciò si controlla pre es. diminuendo la potenza del bruciatore (es. installando un ugello meno potente (per combustibili liquidi), o diminuendo la pressione di ammissione (per combustibili gassosi) S: aumentando o migliorando le superfici di scambio (difficoltoso da realizzarsi su generatori esistenti)

24 TURBOLATORI PER IL MIGLIORAMENTO DELLA TRASMITTANZA IN CALDAIE A TUBI DI FUMO La potenza termica fornita è: Q = K!S!(T fumi " T acqua ) K dipende anche dalla turbolenza dei gas all interno dei tubi

25 1) PERDITE NEI FUMI Scheme of a combustion system with an air pre heater-aph Effetti Cross-media Lo scambiatore recuperativo richiede in genere molto spazio Il ventilatore del bruciatore dovrà sopportare una maggior caduta di pressione L alimento di aria preriscaldata al bruciatore, che occupa maggior volume, può causare problemi di stabilità della fiamma In generale, per ogni 20 C di abbassamento della temperatura dei gas esausti si può recuperare 1% di efficienza

26 1) PERDITE NEI FUMI EFFETTO DI BASSA TEMPERATURA DEI FUMI Le perdite nei fumi sono date da:! Q 1 = c f " G f " ( T f # T ) a La formula mostra che per perdite ed efficienza, la T f dovrebbe essere la più possibile. ugello di minor portata diminuire l ammissione di combustibile al bruciatore (es. diminuendo la pressione di alimentazione). effetto benefico sull efficienza una temperatura dei fumi troppo bassa può dare gravi problemi di corrosione se il vapor d acqua condensa su parti metalliche del generatore.

27 1) PERDITE NEI FUMI EFFETTO DI BASSA TEMPERATURA DEI FUMI Tracce di zolfo presenti nel combustibile bruciano originando SO 2. Questa, in presenza di particolari catalizzatori, ossida ulteriormente ad SO 3 la quale, in presenza di vapor d acqua, condensa ad acido solforico. Questo provoca la corrosione di componenti del generatore (di preferenza i condotti dei fumi ed i preriscaldatori d aria), costruiti in acciaio al carbonio. L uso di acciaio inossidabile o altre leghe è obbligatorio se si vogliono evitare simili problemi (es. caldaie a condensazione)

28 1) PERDITE NEI FUMI Determinazione del Punto di Rugiada acido per gasolio X

29 2) PERDITE PER INCOMBUSTI Quando al bruciatore si rende disponibile meno aria comburente (e quindi Ossigeno) di quanta necessaria per una completa ossidazione, parte del carbonio nel combustibile non partecipa alla combustione. Una combustione incompleta è segnalata dalla presenza di CO e di particolato carbonioso nei fumi (per combustibili liquidi e solidi). Se non viene aumentata l aria di combustione, una quota di energia viene dissipata sotto forma di CO caldo (suscettibile di ulteriore combustione) e/o particelle incombuste.

30 2) PERDITE PER INCOMBUSTI Le perdite per incombusti possono essere calcolate tramite l equazione della combustione:! Q 2 = Kc CO CO 2 + CO Kc = costante funzione del tipo di combustibile:! % [ ] CO, CO 2 = Percentuale in volume di mono-biossido di Carbonio nei fumi Gasolio Carbone Metano Kc 50, ,9

31 2) PERDITE PER INCOMBUSTI Esercizio In una combustione di metano, l analisi dei fumi fornisce i seguenti valori: CO 2 =9% CO=1% Valutare le perdite per incombusti. La formula: Q 2 = Kc CO CO 2 + CO fornisce: Q 2 = =3.79%

32 ANALISI DELLA COMBUSTIONE PER DETERMINARE: - l eccesso d aria (misurando O 2 e/o CO 2 ) - presenza di incombusti - temperatura dei fumi PER CONOSCERE - l efficienza di combustione

33 ANALISI DELLA COMBUSTIONE Valori ottimali dei diversi parametri per diversi combustibili: METANO GASOLIO T. fumi( C) CO 2 (%) 9,7-10, O 2 (%) 1,1-3 1,1-4 Eccesso d'aria(%) Indice Bacharach CO 2,MAX (%) 11,5 15

34 Esercizio Commentare i seguenti valori rilevati durante un analisi dei fumi (reale). Combustibile: metano Caldaia 1 Caldaia 2 Fluido termovettore H 2 O calda Vapore T. aria ( C) T. fumi ( C) O 2 (%) 10,4 9,4 Eccesso d'aria (%) CO 2 (%) 5,9 6,5 CO (ppm) Rendimento (%) 94 87,7 Perdite (%) 6 12,3

35 3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO Le perdite per irraggiamente consistono nelle perdite radiative e per convezione da parte del mantello del generatore, che si trova sempre a temperatura superiore a quella dell ambiente. Simili perdite non variano significativamente al variare del carico termico: il mantello resta quasi sempre alla stessa temperatura durante il servizio. Tuttavia, l incidenza di simili perdite percentualmente aumenta al diminuire del carico. Teoricamente, non ci sarebbero difficoltà nel calcolare queste perdite tramite le formule dello scambio termico. Tuttavia è più pratico utilizzare tabelle o diagrammi basati su dati sperimentali.

36 3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO generatore 30 MW perdite radiative = 0.9% carico: 20 MW

37 3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO Tabella tratta da norma UNI q 3 : perdita percentuale per irraggiamento attraverso il mantello P n : potenza nominale al focolare del generatore, in kw Stato del generatore q 3 (%) Ottimo, ad elevato rendimento 1,72-0,44 log P n Ottimo 3,45-0,88 log P n Obsoleto, mediamente coibentato 6,90-1,76 log P n Obsoleto, male coibentato 8,63-2,20 log P n Obsoleto, privo di coibentazione 10,35-2,64 log P n

38 Energy Management Risparmio di energia termica Nino Di Franco ENEA UTEE-IND Corso di formazione ed aggiornamento professionale per Energy Managers-Trenitalia BOLOGNA, Giugno 2011

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