PROVINCIA di REGGIO CALABRIA Assessorato all Ambiente Corso di Energy Manager Maggio-Luglio 2008 LA COMBUSTIONE. Ilario De Marco

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1 PROVINCIA di REGGIO CALABRIA Assessorato all Ambiente Corso di Energy Manager Maggio-Luglio 2008 LA COMBUSTIONE Ilario De Marco

2 I COMBUSTIBILI Si definisce combustibile una sostanza che attraverso una reazione chimica sviluppa calore. In particolare nel nostro caso i combustibili sono sostanze che combinate con l aria, accese mediante un innesco iniziale, si trasformano in fumi e ceneri sviluppando energia termica. La quantità d energia prodotta dipende dal tipo di combustibile; quindi si avranno combustibili energeticamente migliori rispetto ad altri. La scelta di un combustibile non è comunque solo legato al quantitativo d energia che riesce a sviluppare, perché è necessario valutare tutta una serie di aspetti economici e tecnici riguardanti l uso. Potere calorifico E una caratteristica fondamentale dei combustibili ed è definito come la quantità di calore fornito dalla combustione completa di un Kg od di un m 3 di prodotto. Sono definiti due poteri calorifici di un combustibile : 2

3 il potere calorifico superiore, PCS, inteso come la quantità di calore sviluppata comprensiva del calore recuperato dalla condensazione del vapor d acqua contenuto nei fumi prodotti nella combustione ; il potere calorifico inferiore, PCI, inteso come la quantità di calore sviluppata non comprensiva del calore recuperabile con la condensazione del vapor d acqua contenuto nei fumi prodotti nella combustione Nel caso in cui si abbia un fornello a gas od una caldaia a condensazione si utilizza per i calcoli il PCS, mentre nei casi correnti si utilizza il PCI dato che i fumi devono essere scaricati a temperature superiori ai 100 C perciò non è possibile effettuare il recupero del calore posseduto dal vapor d acqua contenuto nei fumi. Un combustibile per essere praticamente utilizzabile deve avere anche le seguenti proprietà : 3

4 un costo accettabile una elevata velocità di reazione non deve dare origine a prodotti della combustione velenosi o corrosivi LA COMBUSTIONE La combustione è la combinazione del combustibile con l ossigeno contenuto nell aria, detta comburente. Per far avvenire una combustione è indispensabile che siano presenti : il combustibile l aria comburente in quantità sufficiente un innesco della combustione I combustibili sono costituiti essenzialmente da carbonio ed idrogeno, legati in modo più o meno complesso con rapporti diversi. A seconda del quantitativo di carbonio ed idrogeno si hanno combustibili con differenti poteri calorifici, che possono essere molto alti o talmente bassi da non renderne conveniente l uso. 4

5 L aria contiene una parte di ossigeno che combinandosi con il combustibile genera calore. Il quantitativo, in volume, di ossigeno contenuto nell aria è di circa 1/5, mentre i rimanenti 4/5 sono costituiti da azoto e tracce di altri gas. Per garantire una corretta combustione è necessario che la quantità di aria fornita sia sufficiente per completare la reazione. E opportuno avere sempre un eccesso di aria, che comunque deve essere limitato perché produce un maggiore quantitativo di fumi con conseguente perdita di calore. L innesco è indispensabile per avviare la reazione di combustione, per fare in modo che successivamente si autoalimenti. Per innescare un innesco è sufficiente una scintilla che innalzi la temperatura di una piccola quantità di combustibile in modo da avviare la reazione con l ossigeno. COMBUSTIBILE + OSSIGENO = P.C. + ENERGIA dove : P.C. = Prodotti della combustione 5

6 Esempio, la combustione del metano: CH O 2 = 2 H 2 O + CO kcal /m 3 ( a t = 0 C e p = 1013 mbar ) POTERE CALORIFICO E definito, per combustibile : liquido energia / massa J / Kg ( S.I. ) Kcal / Kg ( S.T. ) gassoso energia / volume J / m 3 ( S.I. ) Kcal / m 3 ( S.T. ) PCI PCS il vapore d acqua presente nei fumi non è condensato l energia del vapore d acqua è recuperata tramite condensazione PCS > PCI 6

7 PCS = PCI + n h dove : n sono i Kg di H 2 O h è l entalpia di vaporizzazione Esempio : 1) t = 0 C 2) t = 100 C p = 1013 mbar p = 1013 mbar h 12 = 597 kcal / Kg = 2501 kj / kg PCS = PCI + n 597,46 ( S.T. ) PCS = PCI + n 2501 ( S. I. ) Applicazione Calcolare il PCS del metano, CH 4 sapendo che il suo PCI è di kcal / m 3 ( a t = 0 C, p = 1013 mbar ) CH O 2 = 2 H 2 O + CO 2 Bisogna calcolare le kmoli di CH 4 per metro cubo : 1 kmole di CH 4 : 22,4 m 3 = X : 1 m 3 ossia : X = 1 / 22,4 = 0,0446 kmoli di CH 4 7

8 Le kmoli di H 2 O saranno : 2 x 0,0446 = 0,0892 kmoli di H 2 O I kg di H 2 0 saranno : n = 0, = 1,61 kg di H 2 O Pertanto : PCS = PCI + n 597,46 = = = kcal/ m 3 REAZIONI DI COMBUSTIONE I principali componenti presenti nei combustibili sono : il carbonio ( C ) l ossigeno (O 2 ) lo zolfo ( S ) l azoto ( N 2 ) l idrogeno ( H 2 ) l anidride carbonica ( CO 2 ) l ossido di carbonio ( CO ) l acqua ( H 2 O ) il metano ( CH 4 ) gli idrocarburi, diversi dal metano, ( C m H n ) Di questi componenti quelli combustibili reagiscono secondo le seguenti reazioni chimiche : C + O 2 = CO kj /mole S + O 2 = SO kj /mole 8

9 2 H 2 + O 2 = 2 H 2 O kj /mole ( 1 ) CO + ½ O 2 = CO kj /mole CH O 2 = 2 H 2 O + CO kj /mole C m H n + (m+n/4) O 2 = n/2 H 2 O + m CO 2 + ( * ) kj /mole L ossigeno necessario per queste reazioni è quello presente nell aria Composizione media dell aria atmosferica ( Aria secca a 0 C mbar ) pm % v/v % m/m Azoto, N ,0 75,52 Ossigeno,O ,9 8 23,15 Argon, A 40 0,935 1,28 Anidride Carbonica 44 0,03 0,046 Carcarbonica, Altro CO 0,01 0,004 Nei calcoli relativi alle reazioni di combustione si assume che l aria abbia la seguente composizione approssimata : 9

10 N 2 = 79 % v/v O 2 = 21 % v/v Esempio Quanti metri cubi di aria bisogna utilizzare per fornire 1 m 3 di O 2? Detto V aria il volume di aria e V O2 il volume di ossigeno si ha : V O2 = 21 % V aria = 0,21 V aria V aria = 1 m 3 / 0,21 = 4,76 m 3 Per alimentare 1 m 3 di ossigeno si deve prevedere un volume di aria pari a 4,76 m 3 : cioè 4,76 m 3 di aria contengono 1 m 3 di ossigeno e 3,76 m 3 di azoto. 4,76 m 3 di aria 1 m 3 di ossigeno 3,76 m 3 di azoto. 10

11 Calcolo dell aria teorica per combustibili gassosi Per tutti i gas, in condizioni TPN, una mole occupa 22,4 litri. E possibile interpretare un equazione chimica anche come una relazione tra volumi ( litri o metri cubi ) di gas purché tutti siano riferiti alle stesse condizioni di TPN. Per esempio l equazione di combustione del metano, in condizioni PTN : CH O 2 = 2 H 2 O + CO kj /mole può essere interpretata affermando che 22,4 litri (1 mole) di metano bruciano con 2 (22,4 ) = 44,8 litri di ossigeno e si producono 44,8 litri di acqua (vapore) e 22,4 litri di anidride carbonica. Dalle equazioni (1) si ricavano i seguenti volumi di ossigeno, necessari per la combustione stechiometrica : 1 m 3 di CH 4 richiede 2 m 3 di O 2 1 m 3 di H 2 richiede 0,5 m 3 di O 2 1 m 3 di CO richiede 0,5 m 3 di O 2 1 m 3 di C m H n richiede (m+n/4) m 3 di O 2 Con riferimento all aria si hanno i seguenti volumi stechiometrici : 1 m 3 di CH 4 richiede 9,52 m 3 di aria 1 m 3 di H 2 richiede 2,38 m 3 di aria 1 m 3 di CO richiede 2,38 m 3 di aria 1 m 3 di C m H n richiede 4,76 (m+n/4) m 3 di aria 11

12 Esempio Si calcoli l aria teorica necessaria per la combustione di 1 m3 di GPL di composizione volumetrica pari a 35 % di propano e 65 % di butano. Si scrivono le equazioni di combustione per il propano (C 3 H 8 ) e il butano (C 4 H 10 ) C m H n + (m+n/4) O 2 = n/2 H 2 O + m CO 2 C 3 H 8 + (3+8/4) O 2 = 8/2 H 2 O + 3 CO 2 C 4 H 10 + (4+10/4) O 2 = 10/2 H 2 O + 4 CO 2 C 3 H O 2 = 4 H 2 O + 3 CO 2 C 4 H ,5 O 2 = 5 H 2 O + 4 CO 2 0,35 m 3 di propano richiedono : 1 : 0,35 = 5 : x da cui si trova : x = 1,75 m 3 di O 2 0,65 m 3 di butano richiedono : 1 : 0,65 = 6,5 : y da cui si trova : y = 4,22 m 3 di O 2 In totale si avrà un contenuto di ossigeno pari a : x + y = 5,97 m 3 di O 2 che richiede 28,4 m 3 di aria. 12

13 Calcolo dell aria teorica per miscele di combustibili gassosi( formula generale) Se indichiamo con CO, H 2, CH 4, C m H n ed O 2 le percentuali volumetriche dei vari componenti presenti in una miscela di combustibili gassosi si ottiene la seguente espressione per l aria teorica in volume, A tv (metri cubi di aria per metro cubo di combustibile gassoso, m 3 / m 3 ) : A tv = (CO + H 2 ) 2,38 /100 + CH 4 9,52 / ,76 [ Σ i (m i +n i /4)C mi H ni ] /100-4,76 O 2 /100 l ultimo termine (negativo ) tiene conto dell eventuale presenza di ossigeno nella miscela di gas combustibile. In massa, l espressione precedente diventa : A tm = A tv ρ aria = 1,293 A tv Infatti la densità dell aria a 298 K è pari a circa 1,293 kg/m 3 Indice d aria Nella pratica non è possibile utilizzare il quantitativo di aria teorico ricavato dalla stechiometria delle reazioni di combustione : si dovrà utilizzare un volume (o una massa ) di aria reale, A v (o A m ), che sarà sempre maggiore del valore teorico At v (o A tm ). Il rapporto n = A v /A tv si chiama indice d aria ed è pari ad 1 solo per le condizioni stechiometriche (teoriche), nella pratica n sarà sempre maggiore di 1. Viene anche definito l eccesso d aria percentuale che è pari a : e = ( n - 1 )

14 Esempio Si calcoli l eccesso d aria percentuale e per n = 1,5 ed n = 2,5 e = (1,5-1 ) 100 = 50 % e = (2,5-1 ) 100 = 150 % Calcolo del volume dei fumi prodotti nella combustione Il volume dei fumi che si producono in una combustione completa è : G v = n A tv - 0,21 A tv + (CO + H 2 + N 2 + CO 2 + H 2 O) / CH 4 / Σ i [(m i + n i / 2)C mi H ni ] / 100 dove : G v n At v il volume dei gas combusti per m 3 di combustibile bruciato è il volume reale di aria che entra nel focolare 0,21 At v è il volume di ossigeno che viene consumato nella combustione e che quindi non si trova nei fumi CO + H 2 + N 2 + CO 2 + H 2 O sono le concentrazioni percentuali volumetriche dei vari elementi presenti nella miscela di combustibile in ingresso al focolare che o non partecipano chimicamente alla combustione o hanno rapporti stechiometrici unitari CH 4 è la concentrazione percentuale volumetrica di metano nel combustibile : ogni mole di metano, bruciando, produce 3 moli di prodotti 14

15 C mi H ni sono le concentrazioni percentuali volumetriche degli idrocarburi presenti nel combustibile Con facili passaggi la formula di G v può essere semplificata in : G v = n A tv + 1-0,005 (CO + H 2 ) + 0,0025 Σ i [(n i - 4)C mi H ni ] Se si desidera esprimere la portata dei fumi in massa si ha : G m = n A tm + ρ combustibile [ Kg / m 3 ] espresso in kg di fumi per m 3 di combustibile Queste formule per G v valgono solo per combustioni complete! 15

16 Esempio Calcoliamo A tv e G v per la combustione di un gas naturale di composizione volumetrica percentuale : CH 4 = 95,5 % C 2 H 6 = 1,4 % C 3 H 8 = 0,9 % N 2 = 2,2 % si assuma l indice d aria il valore n = 1,3 A tv = 95,5 9,52 / ,76 [(2 + 6/4) 1,4/100 + (3 + 8/4) 0,9]/100 = 9,1 + 0,447 = = 9,54 m 3 di aria / m 3 di gas naturale Gv = 1,3 9,54-0,21 9,54 + 2,2/ ,5/ [( 2 + 6/2) 1,4 + (3 + 8/2) 0,9 ] /100 = = 13,42 m 3 di fumi / m 3 di gas naturale Si ha pure : A tm = 1,293 A tv = 1,293 9,54 = = 12,33 kg di aria / m 3 di gas naturale G m = n A tm + ρ comb = 1,3 12,33 + 0,72 = = 16,75 kg di fumi / m 3 di gas naturale Nelle analisi dei fumi di combustione è spesso necessario riferirsi ai fumi secchi, cioè considerati senza la presenza in essi del vapore d acqua che si forma dalla combustione dell idrogeno. Dall espressione di Gv è possibile ricavare la formula per il calcolo di [G tv ] fs cioè per il calcolo della portata di fumi quando la reazione avvenga con aria stechiometrica e riferita ai fumi secchi. 16

17 Nella formula di Gv dobbiamo porre n = 1 e sottrarre l acqua che si forma dai combustibili contenenti idrogeno. Con facili passaggi si ottiene : [G tv ] fs = A tv + 1-0,005 (CO + 3H 2 ) - 0,0025 Σ i [(n i + 4)C mi H ni ] Esempio Calcoliamo [G tv ] fs per la combustione di un gas naturale dell esempio precedente : [G tv ] fs = ,0025 [ 10 x1,4 +12 x 0,9] = m 3 di fumi secchi / m 3 di gas naturale Il volume dei fumi secchi effettivo, cioè non stechiometrico, ma con eccesso d aria è dato da : [G v ] fs = [G tv ] fs + (n - 1) A tv 17

18 Le concentrazioni dei vari componenti nei fumi Nel campo dell analisi dei fumi si utilizzano le cosiddette concentrazioni per fumi secchi ; questa dizione significa, più correttamente, che nel calcolare la concentrazione volumetrica percentuale di un certo componente presente nei fumi, (per esempio la CO 2 ) non si prende in considerazione l effettivo volume totale dei fumi ma quello che si avrebbe se si separasse il vapore d acqua (eventualmente) presente. 18

19 Esempio Si supponga che 1 mc di metano bruci completamente in condizioni stechiometriche in aria ; si determini la concentrazione volumetrica atpn, della CO 2 nei fumi umidi e nei fumi secchi. Soluzione La reazione stechiometrica del metano è CH O N 2 = 2 H 2 O + CO N 2 la concentrazione percentuale volumetrica della CO 2 nei fumi umidi è : [CO 2 ] fu = Volume di CO 2 / Volume totale dei fumi = 1 / ( ) = 1 / = 9.5 % 19

20 la concentrazione percentuale volumetrica della CO 2 nei fumi secchi è : [CO 2 ] fs = Volume di CO 2 / Volume di CO 2 e di N 2 = = 1 / ( ) = 1 / 8.52 = 11.7 % Calcolo dell indice d aria n Dalle relazioni precedenti si ha : [CO 2 ] fs stech = CO 2 / [G tv ] fs 100 [CO 2 ] fs = CO 2 / [G v ] fs 100 e con semplici passaggi e ricordando che : [G v ] fs = [G tv ] fs + (n - 1) A tv si ottiene : [CO 2 ] fs stech / [CO 2 ] fs = [G v ] fs / [G tv ] fs = 1 + (n - 1) A tv / [G tv ] fs e quando il rapporto A tv / [G tv ] fs è circa pari ad 1 si semplifica a : [CO 2 ] fs stech / [CO 2 ] fs = n che diventa l espressione per il calcolo dell indice d aria. Questa formula dà luogo ad errori gravi se applicata : 20

21 a combustibile ricco di H 2 e CO combustibile ricco di N 2 ( per es. gas d alto forno in cui [G tv ] fs / A tv = 2! ) Altra espressione comunemente utilizzata, nella stessa ipotesi di A tv / [G tv ] fs = 1, per il calcolo di n è : n = 21/ ( 21 - O 2 ) dove O 2 è la concentrazione residua di ossigeno nei fumi. Condizioni ottimali per la combustione nella pratica tecnica In ogni combustione è necessario porre in intimo contatto il combustibile con l ossigeno per assicurare un elevata superficie di reazione e per consentire il raggiungimento di temperature sufficientemente elevate per tutte le molecole di combustibile garantendo così una sufficiente cinetica di reazione. Il combustibile inviato alla combustione deve bruciare completamente non essendo accettabile, né in termini energetici né in termini di inquinamento 21

22 ambientale e sicurezza, la presenza di combustibile nei fumi scaricati. Per fornire a tutte le molecole di combustibile l ossigeno necessario si deve utilizzare sempre un eccesso di ossigeno, e quindi di aria, rispetto ai valori stechiometrici. Tale eccesso di aria sarà, in generale, di valore crescente passando dai combustibili gassosi a quelli liquidi e a quelli solidi per la evidente maggiore complessità di mescolare un combustibile solido con un gas (aria) rispetto ad un combustibile liquido o, meglio ancora, ad un combustibile gassoso. E importante comprendere che non esistono valori giusti in assoluto per l eccesso d aria e per la temperatura dei fumi allo scarico della caldaia: si è infatti davanti ad un tipico problema di ottimizzazione tra esigenze contrastanti. In linea di principio si dovrebbe usare un eccesso d aria quanto più piccolo possibile ed una temperatura dei fumi più bassa possibile; in tal modo si minimizzano le perdite legate allo scarico dei fumi caldi in atmosfera, questa scelta però può avere effetti negativi: sulla necessità di bruciare tutto il combustibile, per evitare pesanti perdite energetiche; 22

23 sulla durata della canna fumaria, che potrebbe essere sottoposta a fenomeni di corrosione dovuta a condense acide; sulla necessità di avere comunque un sufficiente tiraggio al camino che, per tiraggio naturale, è proprio legato alle diverse densità di fluidi a temperature diverse. A parità di combustibile esiste anche un effetto scala: le caldaie di potenza elevata sono, in generale, dotate di sistemi di controllo e regolazione della combustione più efficienti e sofisticati. Una caldaia di elevata potenza, per esempio 350 kw, con bruciatore dotato di serranda automatica di regolazione dell aria può avere un indice d aria pari a 1,1 o 1,2 (cioè un eccesso d aria di solo il 10 o il 20 % ). Una piccola caldaia murale da 20 KW, con bruciatore atmosferico, può avere un indice d aria pari a 1,5 /2,0 (50% o 100% di eccesso d aria). LA tabella seguente riporta alcuni valori di temperatura di scarico fumi, delle concentrazioni di CO e CO 2 e di opacità. 23

24 Temperature e composizione dei fumi scaricati da un generatore di calore Combu= stibile Numero di Bacharach CO CO 2 T. Fumi ppm % C f. secchi) f. secchi) Metano ,7 10, GPL ,5 12, Gasolio Olio C. BTZ 1% S Olio C. BTZ 3%S

25 Emissioni in atmosfera La norma tecnica UNI indica un valore massimo della concentrazione di monossido di carbone, CO, che può essere scaricato in atmosfera dai camini degli impianti di riscaldamento. Detta norma precisa che il valore della concentrazione limite di CO (pari a 1000 ppm = 0,1 % v/v ) deve essere riferito alle condizioni di prodotti della combustione secchi e senz aria. In tal modo si garantisce che non si utilizza la diluizione dei fumi con aria come espediente per aggirare la limitazione sulla emissione di CO. Infatti: la massa di CO prodotta nella combustione reale per unità di massa ( o di volume ) di combustibile non cambia se si assume che la combustione avvenga in condizioni stechiometriche (senz'aria in eccesso! ) cioè n=1 ; in tal caso è minimo il volume dei fumi scaricati al camino e, quindi, massimo il valore della concentrazione di CO. La concentrazione di CO deve essere misurata in percentuale volumetrica supponendo di 25

26 condensare e separare dai fumi il solo vapore d acqua eventualmente presente. In queste condizioni di riferimento la concentrazione teorica per fumi secchi è dunque un valore calcolato ( e non misurato dall analisi dei fumi) numericamente sempre maggiore del valore misurato. La concentrazione teorica per fumi secchi CO t,fs è anche denominata CO corretto, CO non diluito, CO teorico o CO stechiometrico. I possibili tipi di combustione nella pratica termotecnica Esistono quattro tipi possibili di combustione: 1. La combustione stechiometrica 2. La combustione con eccesso d aria 3. La combustione in difetto d aria 4. La combustione incompleta La combustione stechiometrica è solo un riferimento teorico utile come termine di confronto mentre gli altri tre tipi di combustione possono essere effettivamente riscontrati durante l analisi dei fumi. 26

27 La combustione stechiometrica In questo caso nei fumi non sono presenti né ossigeno, O 2, né combustibile, l aria teorica A tv coincide con l aria effettivamente utilizzata, A v, e, quindi : n = A v / A tv = 1 Nei fumi sono solo presenti: anidride carbonica, CO 2, acqua H 2 O, azoto N 2 ed eventualmente, ossido di zolfo SO 2. La combustione con eccesso d aria E questa la condizione che si trova nel normale funzionamento delle caldaie. Nei fumi non è presente combustibile incombusto ed il rapporto n = A v / A tv > 1 Nei fumi sono presenti: O 2, CO 2, H 2 O, N 2, NO x, ed eventualmente, SO 2. La combustione in difetto d aria E una condizione di malfunzionamento; nei fumi è assente l ossigeno O 2, ma è presente combustibile incombusto. I fumi contengono anche CO, fuliggine, CO 2, H 2 O, N 2, NO x, ed SO 2. 27

28 La combustione incompleta E anche questa una condizione di malfunzionamento; nei fumi sono presenti: il combustibile, l ossigeno, CO e fuliggine, CO 2, H 2 O, N 2, NO x, ed SO 2. Questa situazione può presentarsi, per esempio, durante un transitorio di funzionamento, per cattiva miscelazione tra combustibile ed aria, nel caso che la temperatura di combustione sia troppa bassa. Il triangolo di Ostwald Sulla base delle reazioni di combustione e dei bilanci di materia è possibile correlare tra loro, per ogni specifico combustibile, i seguenti quattro parametri: La concentrazione di CO 2 percentuale nei fumi secchi; La concentrazione di O 2 percentuale nei fumi secchi; La concentrazione di CO percentuale nei fumi secchi; L indice d aria n (oppure l eccesso percentuale d aria e) 28

29 Noti due di questi parametri è sempre possibile ricavare il valore degli altri due; in forma grafica questa relazione è riportata nel triangolo di Ostwald GAS n=1,5 CO=0% O2 (%) 8 n=1,2 P 2 6 n=1,1 4 n=1 P 1 2 CO=10% CO=5% CO 2 (%) La figura riporta, per esempio, il triangolo di Ostwald relativo al metano. Ogni combustibile ha un proprio e specifico triangolo di Ostwald. 29

30 Con riferimento alla figura osserviamo: Il punto rappresentativo delle condizioni della combustione deve cadere all interno del triangolo; Considerando la retta CO =0, cioè combustione perfetta senza incombusti, notiamo che essa interseca l asse delle ascisse in un punto di coordinate (11,7; 0), cioè al valore CO 2 = 11,7 ed O 2 = 0, cioè combustione stechiometrica con eccesso d aria pari a zero. La stessa retta interseca l asse delle ordinate nel punto (0;21) cioè combustione con eccesso d aria tendente all infinito (O 2 nei fumi = all O 2 nell aria =20,9 %) e concentrazione di CO 2 praticamente zero. Esempio Riportare sul triangolo di Ostwald della figura precedente i valori ottenuti da analisi dei fumi di una combustione con metano: Caso A CO = 1% CO 2 = 9 % Caso B O 2 = 8 % CO 2 = 13 % 30

31 Soluzione Caso A : i valori dati corrispondono al punto P1 interno al triangolo; per tale punto si ottiene pure: O 2 = 3,3 % n = 1,15 corrispondente a e = 100 x (1,15 1) = 15 % E una condizione di funzionamento possibile, dal punto di vista chimico, ma non rispetta il limite di CO previsto dalla legge, (0,1 %). Caso B: i valori dati corrispondono al punto P2 esterno al triangolo. Questo non è fisicamente possibile! Significa che c è qualcosa di sbagliato nella analisi dei fumi effettuate oppure, l analisi era relativa ad un combustibile diverso dal metano. Le perdite nell impianto generatore di calore 31

32 Bruciatore e caldaia Il bruciatore ha la funzione di trasformare l energia chimica del combustibile in energia termica. Allo scopo il bruciatore aspira l aria comburente, polverizza il combustibile (quando è liquido), accende e governa la fiamma secondo i comandi della regolazione. Regolazione a modulazione di fiamma a tutto o niente La caldaia ha la funzione di trasferire il calore prodotto all acqua che lo trasporterà all interno dell edificio. La caldaia si comporta come uno scambiatore di calore gas/acqua e, la trasmissione avviene per circa un 50% per radiazione (fiamma) e per il rimanente 50% per convezione ( calore dei fumi). I fumi di combustione dopo aver ceduto il loro calore sensibile, vengono evacuati attraverso il camino. T Radiativa T fiamma Convettiva Perdita fumi T fumi Te Pu Pf P Dove P f è la quantità di calore perduta con i fumi nell unità di tempo, che può essere calcolata come : 32

33 Essendo Cs f p f T f T e P f = Cs f p f ( T f - T e ) il calore specifico dei fumi la portata dei fumi la temperatura dei fumi la temperatura esterna Fumi Bruciatore Caldaia T e Edificio T 2 T i Combustibile T 1 Aria a T e T e Temperatura esterna T i Temperatura interna T 2 Temperatura di mandata dell acqua all utenza T 1 Temperatura di ritorno dell acqua in caldaia T f Temperatura dei fumi all uscita dalla caldaia > T 2 La quantità di calore trasferita nell unità di tempo (effetto utile) sarà: Essendo p la portata d acqua Calore utile e perdite P u = p (T 2 - T 1 ) La quantità teorica di calore (in condizioni di combustione completa) che si rende disponibile nell unità di tempo è legata alla portata di combustibile in ingresso nel generatore di calore : 33

34 P foc = q PCI Dove : q = consumo orario di combustibile PCI = potere calorifico inferiore del combustibile Questa potenza immessa nel generatore di calore è chiamata potenza termica del focolare (oppure portata termica ). In realtà oltre al combustibile, entra nel generatore anche l energia elettrica necessaria al funzionamento della pompa di circolazione, del bruciatore e della strumentazione di regolazione e controllo ma, per i nostri fini, possiamo prendere in considerazione solo l energia che entra con il combustibile. Per il principio di conservazione dell energia la potenza termica P foc sarà suddivisa in : P u come potenza necessaria ad aumentare la temperatura del fluido vettore all uscita della caldaia (Potenza utile) P f come potenza immessa in atmosfera attraverso i fumi caldi (Potenza persa al camino) P irr come potenza persa attraverso l involucro della caldaia (Potenza persa per irraggiamento e convezione dal mantello della caldaia) P inc come potenza persa per non completa combustione (presenza di incombusti ) Il bilancio energetico di una caldaia sarà: P foc = P u +P f + P irr + P inc Che, nell ipotesi che il termine P inc sia trascurabile, diventa : P foc = P u + P f + P irr Schema semplificato di bilancio energetico della caldaia 34

35 P f P foc P u Pconv P irr Il rendimento utile η u della caldaia è espresso dal rapporto : P u P foc (P irr +P f ) (P irr + P f ) η u = = = 1 - P foc P foc P foc ed esprime la frazione di combustibile che viene utilizzata ai fini desiderati. Il rendimento di combustione convenzionale η c si ottiene considerando la sola perdita di potenza legata al calore sensibile dei fumi e cioè assumendo che siano trascurabili tutte le altre perdite, si ha : P c P foc P f P f η c = = = 1 - P foc P foc P foc Osserviamo che per una data caldaia, si avrà sempre : η c > η u Perdita per incombusti Questa perdita sarebbe inevitabile se l aria disponibile alla combustione fosse inferiore a quella stechiometrica necessaria ad ossidare il combustibile. 35

36 Infatti, in questo caso, l idrogeno, più attivo, si ossiderebbe, ma una parte del carbonio o non verrebbe ossidato o lo sarebbe parzialmente a livello di CO e non di CO 2. Per evitare la formazione di incombusti bisogna dare un eccesso di aria, tanto maggiore quanto più grande risulta la difficoltà di disperdere il combustibile nell aria comburente. L eccesso di aria in generale sarà elevato per i combustibili solidi, minore per quelli liquidi, se non polverizzati, modesto per i combustibili gassosi. In pratica si accettano perdite per incombusti dell ordine dell 1 o del 2 %. Basterà quindi eseguire un analisi dei fumi e verificare gli opportuni parametri (modalità che saranno illustrate in dettaglio nel capitolo successivo pertinente). Perdita per dispersioni attraverso l involucro La potenza termica persa attraverso l involucro della caldaia P irr è dovuta sia a fenomeni di irraggiamento sia a convezione (l aria fredda che circola sul mantello esterno della caldaia si riscalda), sia a conduzione (i tubi metallici, per esempio, si riscaldano e disperdono potenza). Detta perdita è funzione decrescente della potenzialità del generatore: i generatori di elevata potenzialità hanno P irr molto piccole (1 2% ) della potenza termica del focolare, mentre piccole caldaie possono avere P irr pari anche al 10% della potenza termica del focolare. Una verifica si può effettuare stimando la dimensione S dell involucro, misurando la temperatura media T s della superficie, attribuendo un coefficiente di scambio ( circa 8 w/m 2 C) e misurando la temperatura T e del locale caldaia. P irr = 8 S (T s - T e ) Perdita nei fumi Tale perdita è proporzionale al prodotto della portata dei fumi per la loro temperatura. 36

37 La portata dipende dall eccesso d aria, mentre la T f dovrebbe essere superiore alla temperatura di mandata T 2 di circa 50 C. Esiste però un vincolo tecnologico contro il rischio delle condense acide che è più severo. Tale rischio è in relazione al diverso contenuto di zolfo nel combustibile. Temperature e composizione dei fumi scaricati da un g.c. Combustibile Numero di Bacharach CO (ppm f. secchi ) CO2 (% f. secchi ) Tfumi ( C ) Metano ,7 10, GPL ,5 12, Gasolio Olio Comb. BTZ (1%) Olio Comb. (3%) Se tale temperatura T f fosse sensibilmente superiore ai suddetti valori si avrebbe una perdita ingiustificata. Approssimativamente per ogni 100 C di sovratemperatura si perdono circa 5% di η c nel caso di impianti a gasolio e circa 7 % nel caso del CH 4. Una troppa elevata T f può essere imputabile a : Cattivo stato delle superfici di scambio Caldaia troppo piccola rispetto alla potenza fornita dal bruciatore Insufficienza delle superfici di scambio La potenza persa al camino, espressa in W, si determina dalla : Dove : P f = M c G m c f (T f T e ) 37

38 M c sono i m 3 / s di combustibile gassoso G m sono i Kg fumi / m 3 di combustibile c f è il calore specifico dei fumi a p costante, in J/ Kg fumi C (T f T e ) è il salto di temperatura tra ingresso e uscita della caldaia La potenza termica percentuale persa al camino ( Q s nella nomenclatura UNI ) è pari a : Q s = 100 P f / P foc ossia : M c G m c f (T f T e ) Q s = = M c PCI G m c f (T f T e ) Q s = PCI Esempio Ricaviamo l espressione di per una combustione che utilizzi metano. Ricordiamo che : densità del metano : ρ CH4 = 0,717 kg/m 3 PCI del metano = J/m 3 Calore specifico medio a pressione costante per i fumi della combustione c f = J/ kg C 38

39 Valutiamo la portata dei fumi G m G m = n A tm + ρ CH4 A tm = A tv ρ aria = A tv 1,293 A tv = 9,52 m 3 aria/ m 3 CH4 A tm = 1,293. 9,52 = 12,31 kg aria/ m 3 CH4 per cui : G m = n A tm + ρ CH4 = CO 2 teorica /CO 2 12,31 + 0,717 = = 11,7/ CO 2 12,31 +0,717 = 144/ CO 2 + 0,717 la si può dunque scrivere : ( 144/ CO 2 + 0,717 ) (T f T e ) Q s = = PCI ( / CO ) (T f T e ) = = = ( 0,42/ CO 2 + 0,002 ) (T f T e ) Formule analoghe sono riportate per i vari tipi di combustibile nella norma UNI nella forma : Q s = ( A 2 / CO 2 + B ) (T f T e ) Dove i valori A 2 e B sono indicati,per ogni combustibile, in un apposito prospetto. 39

40 Rendimento utile e consumo specifico P u P u η u = = (1) P foc M c PCI Dove P u è la potenza utile in W M c sono i kg/s (oppure m 3 /s) di combustibile utilizzati PCI è il potere calorifico inferiore, in J/kg comb (oppure J/m 3 comb) Nella (1) dividendo numeratore e denominatore per P u ; si ha : 1 1 η u = = (2) M c PCI/P u m c PCI dove m c è il consumo specifico di combustibile espresso in kg/s.w ( o in m 3 /s.w ). Dalla (2) si ottiene anche : 1 m c = η u PCI che mostra come il consumo specifico per unità di potenza utile sia inversamente proporzionale al valore del rendimento utile: quanto più elevato è η u tanto minore sarà il consumo specifico. Esempio Si calcoli il consumo specifico per unità di potenza m c per una caldaia a metano con P u = e η u = 70 %; si ripeta il calcolo per η u = 90 %. 1 caso m c1 = 1/ η u1 PCI = 1/ 0, = 3, m 3 /s W 40

41 2 caso m c2 = 1/ η u2 PCI = 1/ 0, = 3, m 3 /s W mentre il consumo orario M c (M c = m c P utile )sarà nei due casi : 1 caso M c1 = 3, = 1, m 3 /s = 4,14 m 3 /h 2 caso M c2 = 3,0, = 8, m 3 /s = 3,22 m 3 /h Esempio I dati tecnici di una caldaia a camera aperta con tiraggio naturale, sono: Potenza termica focolare 20 kw Potenza termica utile 18 kw Temperatura fumi 150 C Portata fumi 46 kg/h CO 2 nei fumi (secchi) 6,3 % Combustibile metano, PCI kcal/m 3 = =9,97 kwh/m 3 Si calcolino Q s, P f, P conv, η u, η conv Soluzione Se la temperatura dell aria ambiente è pari a 20 C si ha, utilizzando la formula riportata nell UNI

42 La perdita percentuale nei fumi è : Q s = (A 2 / CO 2 + B) (T f T e ) = ( 0,38/ 6,3 + 0,01 ) ( ) = 9,1 % La potenza persa nei fumi è : P f = Q s P foc /100 = 9,1 * 20 / 100 = 1,82 kw La potenza convenzionale sarà : P conv = P foc - P f = 20 1,82 = 18,2 kw I rendimenti saranno : η conv = 18,2/20 = 91 % η u = 18/20 = 90 % Si osservi che : P foc > P conv > P u Si ha Dalla P foc = P u + P irr + P f si ha : 20 = 18 + P irr + 1,82 P irr = 0,18 kw che in percentuale è pari a : 0,9 % circa 1% La figura successiva mostra il bilancio energetico di questa caldaia. Schema semplificato del bilancio energetico della caldaia P f =1,82 kw 9,1% 42

43 P foc =20 kw P u =18 kw 100% Pconv 90% Bilancio energetico: P irr = 0,18 kw 0,9% P foc = P u + P f + P irr In valore assoluto : 20 = ,82 + 0,18 In valore percentuale : 100 = ,1 + 0,9 Rendimenti : η u = 100 P u / P foc = /20 = 90 % η conv = 100 P conv / P foc = 100 (P foc - P f )/ P foc = 100 (20 1,82)/20 = = ,2/20 = 91 % Esempio Utilizzando l espressione di Q s, riportata nelle UNI 10389, si calcoli la perdita percentuale nei fumi per i seguenti quattro casi : 43

44 1. metano, CO 2 = 6%, T aria = 20 C, T f = 140 C 2. come 1) ma la T f = 240 C 3. gasolio, CO 2 = 12%, T aria = 20 C, T f = 180 C 4. come 3) ma la T f = 280 C Soluzione Metano 1) Q s = ( 0,38/6 + 0,01) ( ) = 8,8% 2) Q s = ( 0,38/6 + 0,01) ( ) = 16,1% Q s aumenta di circa 7 punti percentuali quando la temperatura fumi passa da 140 C a 240 C Gasolio 3) Q s = ( 0,50/12 + 0,007) ( ) = 8% 4) Q s = ( 0,50/12+ 0,007) ( ) = 13% 44

45 Q s aumenta di circa 5 punti percentuali quando la temperatura fumi passa da 180 C a 280 C 45

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