UNITA 3 COMBUSTIONE, CARBURANTI, LUBRIFICANTI

UNITA 3 COMBUSTIONE, CARBURANTI, LUBRIFICANTI Esercizio 3.1 Calcolare il potere calorifico superiore e inferiore del gas metano che brucia secondo la reazione CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O sapendo che l entalpia della reazione con formazione di H 2 O allo stato liquido è H = - 890,8 KJ Per calcolare Qs: 22,4 (l CH 4 ):890,8(KJ)= 1000 (l CH 4 ) :x (KJ) x=39768 KJ/Nm 3 prodotti da 1 Nm 3 di CH 4 = Q s Per calcolare Q i, con riferimento alla Q i = Q s - n 2500 occorre calcolare n, ovvero i kg di acqua formatisi nella combustione di 1 Nm 3 di CH 4 (1000 litri di CH 4 ). Dalla reazione si ricava: 22,4 (l CH 4 ) : 2 18 (g H 2 O) = 1000 (l CH 4 ): x x = 1607 g = 1,607 kg. Q i = 39768 1,607 2500 = 35751 kg/nm 3. Esercizio 3.2 Calcolare il potere calorifico inferiore e superiore del gas etano, C 2 H 6, che brucia secondo la reazione: 2 C 2 H 6 + 7 O 2 4 CO 2 + 6 H 2 O sapendo che l entalpia della reazione con formazione di H 2 O allo stato di vapore è H = - 2809,4 KJ. Q i = 62709 KJ/Nm 3 e Q s = 68737 KJ/ Nm 3 Esercizio 3.3 Calcolare il potere calorifico inferiore e superiore dell alcol etilico liquido (peso molecolare 46) che brucia secondo la reazione: CH 3 CH 2 OH + 3 O 2 2 CO 2 + 3 H 2 O sapendo che l entalpia della reazione con formazione di H 2 O allo stato di vapore è H = - 1234,7 KJ. 1

Per calcolare Q i : 46 (g alcol) : 1234,7 (KJ) = 1000 (g alcol) : x (KJ) x = 26841 KJ/Kg = Q i Per calcolare n della relazione Q s = Q i + n 2500, dove n è il numero di Kg di acqua formatasi nella combustione di 1 Kg di alcol liquido: 46 (g alcol):3 18 (g H 2 O) = 1000 (g alcol) : x x = 1174 g H 2 O = 1,174 Kg di H 2 O Q s = 26841 + 1,174 2500 = 29776 KJ/Kg Esercizio 3.4 Calcolare il potere calorifico superiore e inferiore dell ottano liquido ( C 8 H 18, peso molecolare 114) che brucia secondo la reazione: C 8 H 18 + 25/2 O 2 8 CO 2 + 9 H 2 O sapendo che l entalpia della reazione con formazione di H 2 O allo stato liquido è H = - 5.531 KJ Q s = 48518 KJ/Kg; Q i = 44965 KJ/Kg Esercizio 3.5 Un combustibile solido ha la seguente composizione elementare: C=88% in peso; H=5%; O=4%; S=1%; ceneri 2% e un potere calorifico superiore di 34936 KJ/Kg. Calcolarne il potere calorifico inferiore. Occorre determinare i Kg di H 2 O formatisi nella combustione di un Kg di combustibile nel quale sono contenuti 50 g di H (=5% in peso). La reazione di combustione dell H è 2H + 1/2O 2 H 2 O ovvero 2 g di idrogeno bruciando producono 18 g di H 2 O 2 (g H): 18 (g H 2 O) = 50 (g H): x (g H 2 O) x = 450 g H 2 O = 0,45 Kg H 2 O Q i = Q s n 2500 = 34936 0,45 2500 = 33.811 KJ/Kg 2

Esercizio 3.6 L alcol etilico liquido C 2 H 5 OH (peso molecolare 46) ha un potere calorifico inferiore di 26.840 KJ/Kg. Calcolarne il potere calorifico superiore sapendo che la reazione di combustione è la seguente: C 2 H 5 OH + 3 O 2 2 CO 2 + 3 H 2 O Q s = 29775 KJ/Kg Esercizio 3.7 Un gas ha la seguente composizione (% in volume): CH 4 = 80 % C 2 H 6 = 4 % N 2 = 16 % e un potere calorifico inferiore di 31087 KJ/Nm 3. Calcolare il potere calorifico superiore. Le reazioni di combustione di CH 4 e C 2 H 6 (N 2 non brucia) sono: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O C 2 H 6 + 7/2 O 2 2 CO 2 + 3 H 2 O in 1 Nm 3 di gas ci sono 0,8 Nm 3 di CH 4 che formano H 2 O 22,4 : 2 18 = 0,8 : x; x = 1,286 Kg H 2 O in 1 Nm 3 di gas ci sono 0,04 Nm 3 di C 2 H 6 che formano H 2 O 22,4 : 3 18 = 0,04 : x; x = 0,096 Kg H 2 O In totale da 1 Nm 3 di combustibile si sono formati 1,286 + 0,096 = 1,382 Kg H 2 O Q s = Q i + 1,382 2500 = 34542 KJ/Nm 3 3

Esercizio 3.8 Calcolare l aria teorica necessaria per la combustione di 1 Nm 3 di gas metano, sapendo che, approssimativamente, nell aria ogni volume di O 2 è accompagnato da 3,8 volumi di N 2, che non reagisce, per formare 4,8 volumi di aria. CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O 1 Nm 3 di CH 4 brucia con 2 Nm 3 di O 2 che sono contenuti in 2 4,8= 9,6 Nm 3 di aria. Esercizio 3.9 Calcolare l aria teorica di combustione necessaria per la combustione di un Kg di alcol etilico liquido (C 2 H 5 OH ; peso molecolare = 46). C 2 H 5 OH + 3 O 2 2 CO 2 + 3 H 2 O 46 (g alcol): 3 22,4 4,8 (l aria) = 1000:x x= 7012 litri = 7,012 Nm 3 di aria. Esercizio 3.10 Calcolare l aria teorica necessaria per la combustione di 1 Nm 3 di gas etano, C 2 H 6, che brucia secondo la reazione: 2C 2 H 6 + 7 O 2 4 CO 2 + 6 H 2 O 16,8 Nm 3 di aria. Esercizio 3.11 Calcolare l aria teorica necessaria per la combustione di 1 Kg di ottano liquido (C 8 H 18 ; peso molecolare 114) che brucia secondo la reazione: C 8 H 18 + 25/2 O 2 8 CO 2 + 9 H 2 O 11,8 Nm 3 di aria 4

Esercizio 3.12 Calcolare l aria necessaria per bruciare con un eccesso del 30% rispetto al teorico, 1 Kg di un combustibile solido con la seguente composizione percentuale in peso: C= 82 %; H= 4%; O= 8%; N 2 =2%; S=2 %;Ceneri= 2% (pesi atomici: C = 12; H = 1; S=32) Occorre premettere che N 2 e ceneri non partecipano alla combustione e che l ossigeno presente nel combustibile deve essere sottratto da quello da apportare con l aria per bruciare C, H e S. C) C+O 2 CO 2 12(g C): 22,4( l O 2 )= 820 (g di C in 1 Kg):x x=1530 litri di O 2 a condizioni normali (c,n) H) 2H + 1/2O 2 H 2 O 2(g H): 11,2( l O 2 )= 40 (g H):x x = 224 litri di O 2 a c.n S) S+O 2 SO 2 32(g S): 22,4( l O 2 )= 20 (g di S):x x= 14 litri di O 2 a c.n. In totale sono necessari per la combustione di C, H e S 1530 + 224 + 14 = 1768 l di O 2 a c.n. Bisogna ora sottrarre l ossigeno presente nel combustibile 32 (g O 2 ) : 22,4 = 80: x; x = 56 l di O 2 a c.n. L ossigeno da apportare con l aria è 1768-56 = 1712 l di O 2 a c.n. corrispondenti a 1,712 4,8 = 8,22 Nm 3 di aria. Tenuto conto che si è utilizzato un eccesso d aria del 30%, si ha che l aria impiegata è 30 8,22 + 8,22 = 10,686 Nm 3 100 Esercizio 3.13 Calcolare l aria teorica necessaria per la combustione di 5 m 3 di un gas con la seguente composizione percentuale in volume: H 2 = 50 %; CO = 40 %; CH 4 = 3 %; CO 2 = 4 %; N 2 = 3 % 12,24 Nm 3 di aria. 5

Esercizio 3.14 Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Nm 3 di CH 4 secondo la reazione CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O 1 Nm 3 di CH 4 produce 1 Nm 3 di CO 2 e 2 Nm 3 di H 2 O 1 Nm 3 di CH 4 brucia con 2 Nm 3 di O 2 che sono accompagnati da 2 3,8 = 7,6 Nm 3 di N 2. Il volume totale dei fumi è 1 (CO 2 ) + 2 (H 2 O) + 7,6 (N 2 ) = 10,6 Nm 3. Esercizio 3.15 Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Kg di alcol etilico liquido (peso molecolare 46) secondo la C 2 H 5 OH + 3 O 2 2 CO 2 + 3 H 2 O CO 2 ) 46:2 22,4 = 1000 : x; x = 973,9 l = 0,9739 Nm 3 H 2 O) 46:3 22,4 = 1000 : x ; x = 1460,9 l =1,4609 Nm 3 N 2 ) 46:3 22,4 3,8 = 1000 : x ; x = 5551,3 l = 5,5513 Nm 3 I fumi totali ammontano a 7,9861 Nm 3. Esercizio 3.16 Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Nm 3 del gas etano, C 2 H 6, secondo la C 2 H 6 + 7/2 O 2 2CO 2 + 3 H 2 O 2 Nm 3 di CO 2 ; 3 Nm 3 di H 2 O; 13,3 Nm 3 di N 2 ; totale 18,3 Nm 3. Esercizio 3.17 Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Kg di ottano liquido, C 8 H 18, (peso molecolare 114) secondo la reazione C 8 H 18 + 25/2 O 2 8 CO 2 + 9 H 2 O 1,572 Nm 3 di CO 2 ; 1,768 Nm 3 di H 2 O; 9,333 Nm 3 di N 2 in totale 12,673 Nm 3 6

Esercizio 3.18 Calcolare i volumi dei gas presenti nei fumi ottenuti bruciando 5 kg di alcol metilico liquido (CH 3 OH; peso molecolare = 32) secondo la reazione 2 CH 3 OH+ 3 O 2 2 CO 2 + 4 H 2 O 3,5 Nm 3 di CO 2 ; 7Nm 3 di H 2 O; 19,95 Nm 3 di N 2 Esercizio 3.19 I fumi ottenuti bruciando con l aria teoria 1 Nm 3 di un combustibile gassoso di composizione H 2 = 45% (in volume); CO =36 %; CH 4 = 14 %; C 2 H 6 = 3%;N 2 = 2 % Sono costituite da: H 2 O = 820 l CO 2 = 560 l N 2 = 3002 l in totale 4382 l. Calcolare la composizione % in volume dei fumi. 820 H 2 O = 100 = 18,71% 4382 560 CO 2 = 100 = 12,78% 4382 3002 N 2 = 100 = 68,51% 4382 Esercizio 3.20 Calcolare la temperatura teorica di combustione di un combustibile gassoso costituito da 50% (in volume) di H 2 e da 50% di N 2 che ha un potere calorifico inferiore di 5398 KJ/Nm 3. Occorre disporre della tabella dei calori sensibili. 7

Premesso che solo l idrogeno partecipa alla combustione secondo la reazione 2H + 1/2O 2 H 2 O è necessario conoscere la composizione dei fumi ottenuti bruciando 1 Nm 3 di combustibile. H 2 O) 0,5 Nm 3 di H 2 producono 0,5 Nm 3 di H 2 O; l ossigeno consumato è la metà dell idrogeno, cioè 0,25 Nm 3 che sono accompagnati da 0,25 3,8 = 0,95 Nm 3 di N 2 N 2 ) 0,5 Nm 3 nel combustibile + 0,95 apportati con l aria teorica. In totale 0,5+0,95 = 1,45 Nm 3 di N 2 Dalla tabella dei calcoli sensibili si ricavano questi dati: 1700 C: i calori sensibili (riferiti a 1 Nm 3 ) di H 2 O e N 2 valgono 3205 e 2484 KJ; tenuto conto dei gas presenti nei fumi per riscaldarli a 1700 C occorrono 0,5 3205 + 1,45 2484 = 5204 KJ 1800 C : i calori sensibili valgono 3430 (H 2 O) e 2647 (N 2 ) KJ 0,5 3430 + 1,45 2647 = 5553 KJ La soluzione grafica porta al valore di 1756 C. Q 5553 5398 5204 1700 1756 1800 C Esercizio 3.21 Calcolare la temperatura teorica di combustione di un combustibile liquido costituito dall 86% in peso di C e dal 14 % di H il cui potere calorifico inferiore vale 42874 KJ/Kg C+O 2 CO 2 2H + 1/2O 2 H 2 O Occorre calcolare la composizione dei fumi: C) 12:22,4 = 860:x ; x = 1605 l = 1,605 Nm 3 di O 2 consumato e di CO 2 formatasi 8

H) 2:11,2 = 140:x ; x = 784 l = 0,784 Nm 3 di O 2 consumato; si sono formati 0,784 2 =1,568 Nm 3 di H 2 O ossigeno totale consumato 1,605+0,784=2,389 Nm 3 O 2 N 2 passato nei fumi 2,389 3,8 = 9,078 Nm 3 Dalla tabella dei calori sensibili: 2000 C 2200 C CO 2 1,605 4851 + 1,605 5394 + H 2 O 1,568 3890 + 1,568 4361 + N 2 9,078 2967 = 9,078 3292 = 40820 45380 La soluzione grafica porta al valore di 2090 C. Esercizio 3.22 Con riferimento al precedente esercizio 3.21 calcolare la temperatura di combustione nel caso in cui si sia impiegato un eccesso d aria del 20 % rispetto al teorico. 9

Il 20 % in eccesso corrisponde al 20 % dell ossigeno totale consumato moltiplicato per 4,8. Vale cioè: 20 2,398 4,8 = 2,293 Nm 3 di aria che passano nei fumi. Utilizzando la tabella dei calori sensibili 100 anche per l aria si ha: 1700 C 1800 C CO 2 1,605 4047 + 1,605 4316 + H 2 O 1,568 3205 + 1,568 3430 + N 2 9,078 2484 + 9,078 2647+ aria 2,293 2514 = 2,293 2675 = 39835 42945 La soluzione grafica porta al valore di 1798 C. 10

Esercizio 3.23 Con riferimento all esercizio 3.20 calcolare la temperatura di combustione nel caso in l aria teorica di combustione fosse stata preliminarmente preriscaldata a 300 C. L ossigeno necessario alla combustione era pari a 25 Nm 3 cui corrispondevano 0,25 4,8= 1,2 Nm 3 di aria. Dalla tabella dei calori sensibili, che indica in 396 KJ il calore necessario a riscaldare a 300 C 1 Nm 3 di aria, si ricava che il preriscaldamento di 1,2 Nm 3 comporta un numero di J pari a 396 1,2=475 KJ. Questi KJ vanno sommati ai 5398 KJ del potere calorifico inferiore del combustibile. Per riscaldare lo stesso volume di fumi sono ora disponibili 5398+475= 5873 KJ. Dalla tabella dei calori sensibili si ha: 1800 C 1900 C H 2 O 0,5 3430 + 0,5 3656+ N 2 1,45 2647 = 1,45 2804= 5553 KJ 5894 KJ La soluzione grafica porta al valore 1899 C. 11

Esercizio 3.24 Calcolare il potenziale termico del gas metano sapendo che il potere calorifico inferiore vale 35751 KJ/Nm 3. P t = V AT Q i + V C CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O Q i = 35751 KJ/Nm 3 V at ) a 2 Nm 3 O 2 corrispondono 2 4,8= 9,6 Nm 3 di aria V c = 1 35751 P t = = 3373KJ / Nm 9,6 + 1 3 Esercizio 3.25 Calcolare il potenziale termico dell alcol etilico, C 2 H 5 OH, liquido sapendo che il potere calorifico inferiore vale 26841 KJ/Kg e che il calore di vaporizzazione vale 920 KJ/Kg. Peso molecolare di C 2 H 5 OH = 46. P t Q + Q i v = C 2 H 5 OH + 3 O 2 2 CO 2 + 3 H 2 O V AT + V C V AT ) 46:3 22,4 4,8= 1000:x; x= 7012 l= 7,012 Nm 3 V c ) 46:22,4= 1000:x; x= 487 l= 0,487 Nm 3 26841+ 920 P t = = 3702KJ / Nm 7,012 + 0,487 3 12

Esercizio 3.26 Calcolare il potenziale termico dell ottano, C 8 H 18, liquido sapendo che il potere calorifico inferiore vale 44965 KJ/Kg e che il calore di vaporizzazione vale 420 KJ/Kg. C 8 H 18 + 25/2 O 2 8 CO 2 + 9 H 2 O 3787 KJ/Nm 3 Esercizio 3.27 Calcolare il potenziale termico di un gas costituito dal 60% (in volume) di CH 4 ; 20% di H 2 e 20% di N 2 sapendo che il potere calorifico inferiore vale 23605 KJ/N 3. V AT ) Calcolare prima l ossigeno necessario alla combustione CH 4 ) CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O 0,6 2= 1,2 Nm 3 H 2 ) H 2 + 1/2O 2 H 2 O 0,2 1/2= 0,1 in totale 1,2+0,1=1,3 Nm 3 di O 2 pari a 1,3 4,8= 6,24 Nm 3 di aria. 23605 P t = = 3260KJ / Nm 6,24 + 1 3 13