Generatori di calore Il generatore di calore a combustibile I generatori di calore Combustibile E CH Superficie di Confine del Sistema Aria comburente Generatore di calore Fluido in ingresso Fumi Calore disperso Fluido in uscita Q D Q F più usuali sono le caldaie. In esse un combustibile solido, liquido o gassoso viene fatto reagire con l ossigeno contenuto nell aria atmosferica. Da tale reazione chimica di ossidazione viene prodotto calore e prodotti gassosi di combustione (fumi)
La combustione Il metano CH 4, in presenza di O 2, fornisce la seguente reazione: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 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 4 + 2 O 2 + 7,52 N 2 CO 2 + 2 H 2 O + 7,52 N 2 + calore ovvero in totale 9,52 m 3 di aria per ogni m 3 di metano. I combustibili Combustibile Densità ρ [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 900 1000 38,5 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 ]
Il potere calorifico inferiore (Pc i ) definisce la quantità di calore liberata durante una combustione completa, quando l'acqua che si viene a formare è sotto forma di vapore. Il potere calorifico superiore (Pcs) definisce la quantità di calore liberata durante una combustione completa, incluso il calore latente di evaporazione contenuto nel vapore acqueo dei gas di combustione. 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
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 ) L emissione di CO varia tra 13 17 mg/mj di energia inviata al generatore L emissione di particolato tra 2,2 2,6 mg/ MJ
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 [-]. In funzione Spento
Rendimento della caldaia Q& Q& Q& Q& N S A Br B = = Potenzautile dellacaldaia = Potenza dispersa dal rivestimento ( caldaiain funzione) = Potenza dispersadai fumi = Potenza al focolare = portataorariadi combustibile [ m Hu = potere calorifero Q& N η = Q& Br H u B / h] del combustibile [ kwh / m ] 3 3 Rendimento caldaia a condensazione qa qs Hs ηk = 1 100 + Hi A1 qa = ( θa θl) ( B) CO 2 H i α θ A = temperatura dei fumi; θ L = temperatura aria; A 1, B = fattori di combustione; α = 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 = dispersioni per irraggiamento H i = potere calorifero inferiore; H s = potere calorifero superiore
Il generatore di calore: teste di combustione 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.
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.
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/spento.
Multistadio sono a due o più stadi di potenza, del tipo tutto/poco e cioè portata max/portata parziale/spento. - Modulanti sono a potenza variabile tra il minimo e massimo e cioè portata max/portata intermedia variabile/spento.
Bruciatori ceramici 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
Il generatore di calore: caldaia a basamento, gruppi termici 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 35 40 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%)
Rendimento minimo secondo la Direttiva Europea 92/42 CEE Con le caldaie a bassa temperatura di tipo convenzionale, le superfici di scambio termico devono essere realizzate in modo da evitare la condensazione dei gas di combustione nella caldaia. Il discorso cambia per le caldaie costruite in funzione dell'utilizzo della tecnica della condensazione. Scarico condensa I gas di combustione vengono convogliati verso il basso, in prossimità dell'attacco di ritorno.
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
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 Scambio termico in regime laminare
Schema della tecnica di condensazione P P 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. Nota: È auspicabile l impiego di circolatori modulanti che adattano la portata di acqua ai requisiti del sistema
Bollitore per H 2 O sanitaria Equilibratore idraulico
La potenza termica di progetto & [ & & + & Qcaldaia = Qtras + Qric ] b QH2 O 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 (θ int θ ext ) b V = volume della zona riscaldata [m 3 ]; θ int = temperatura dell aria interna di progetto [ C]; θ ext = temperatura dell aria esterna di progetto [ C]; n* = numero di volumi all ora ricambiati [h -1 ] = 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. Una valutazione di massima. Carichi termici invernali Utenza generica 10 15 W/m 3 Uffici 12 W/m 3 Ospedali 25 30 W/m 3 Residenze 10 W/m 3 Scuole 16 W/m 3 Infiltrazioni 2 4 W/m 3 Potenza termica generatore 25 30 W/m 3
L acqua calda per uso sanitario Q & H O n c ρ G ( tea t = 86 400 2 η a ) n = numero di persone che usufruisce del servizio; c = calore specifico dell acqua = 4186,8 J/( kg K); ρ = densità dell acqua =1000 kg/ m 3 ; G = consumo medio giornaliero a persona (in un abitazione 0,080 0,150 m 3 ); t ea = temperatura di erogazione ( 45 C); t a = temperatura dell acqua proveniente dall acquedotto ( 15 C); η = rendimento del generatore di acqua calda. Calore per la produzione di acqua calda Q w = ρ c V w (θ w θ 0 ) n gg Volume giornaliero [l / giorno] d acqua calda richiesta Temperatura dell acqua entrante nel sistema di produzione Per edifici residenziali: V w = m w S f bagni Temperatura dell acqua calda prodotta (standard = 40 C-45 C)
Superficie lorda Fabbisogno specifico m w [l/(m 2 gg)] Q w [MJ/(m 2 gg)] S < 50 m 2 3 0,314 50 S < 120 m 2 2,5 0,262 120 S < 200 m 2 2,0 0,210 S 200 m 2 1,5 0,157 Numero bagni Fattore f bagni 1 1 2 1,33 3 o più 1,66