la combustione - Una Provincia piena di Energia

PROVINCIA di REGGIO CALABRIA
Assessorato all’Ambiente
Corso di Energy Manager
Maggio-Luglio 2008
LA COMBUSTIONE
Ilario De Marco
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
m3 di prodotto.
Sono definiti due poteri calorifici di un combustibile :
2
• 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
• un costo accettabile
• una elevata velocità di reazione
• non deve dare origine
a prodotti
combustione velenosi o corrosivi
della
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
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
Esempio, la combustione del metano:
CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2 + 8.550 kcal /m3
(a
t = 0 °C e p = 1013 mbar )
POTERE CALORIFICO
E’ definito, per combustibile :
J / Kg
liquido
( S.I. )
energia / massa
Kcal / Kg ( S.T. )
J / m3
gassoso
( S.I. )
energia / volume
Kcal / m3 ( S.T. )
PCI
il vapore d’acqua presente nei fumi non è
condensato
PCS
l’energia del vapore d’acqua è recuperata
tramite condensazione
PCS
>
PCI
6
PCS = PCI + n ∆h
dove :
n
∆h
sono i Kg di H2O
è l’entalpia di vaporizzazione
Esempio :
1)
t=
0 °C
p = 1013 mbar
2)
t = 100 °C
p = 1013 mbar
∆h12 = 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, CH4 sapendo che il suo
( a t = 0 °C , p = 1013 mbar )
PCI è di 8.550 kcal / m3
CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2
Bisogna calcolare le kmoli di CH4 per metro cubo :
1 kmole di CH4 : 22,4 m3 = X : 1 m3
X = 1 / 22,4 = 0,0446
ossia :
kmoli di CH4
7
Le kmoli di H2O saranno :
2 x 0,0446 = 0,0892
kmoli di H2O
I kg di H20 saranno :
n = 0,0892 18 = 1,61
kg di H2O
Pertanto :
PCS = PCI + n 597,46 = 8550 + 962 =
= 9.512 kcal/ m3
REAZIONI DI COMBUSTIONE
I principali componenti presenti nei combustibili sono :
il carbonio ( C )
lo zolfo ( S )
l’idrogeno ( H2 )
l’ossido di carbonio ( CO )
il metano ( CH4 )
l’ossigeno (O2 )
l’azoto ( N2 )
l’anidride carbonica ( CO2 )
l’acqua ( H2O )
gli idrocarburi, diversi dal
metano, ( CmHn )
Di questi componenti quelli combustibili reagiscono secondo le seguenti
reazioni chimiche :
C
+ O2
=
CO2 + 394 kJ /mole
S
+ O2
=
SO2 + 297 kJ /mole
8
2 H2 + O2
= 2 H2O + 242 kJ /mole
CO + ½ O2 = CO2
CH4 + 2 O2
(1)
+ 283 kJ /mole
= 2 H2O + CO2 + 803 kJ /mole
CmHn + (m+n/4) O2 = n/2 H2O + m CO2 + ( * ) kJ /mole
L’ossigeno necessario per queste reazioni è
quello presente nell’aria
Composizione media dell’aria atmosferica
( Aria secca a 0°C 1 1013 mbar )
pm % v/v % m/m
Azoto, N2
Ossigeno,O2
Argon, A
Anidride Carbonica
Carcarbonica,
CO
Altro
28
32
40
44
78,0
8
20,9
5
0,93
0,03
0,01
75,52
23,15
1,28
0,046
0,004
Nei calcoli relativi alle reazioni di combustione si
assume che l’aria abbia la seguente composizione
approssimata :
9
N2 = 79 % v/v
O2 = 21 % v/v
Esempio
Quanti metri cubi di aria bisogna utilizzare per
fornire 1 m3 di O2 ?
Detto Varia il volume di aria e VO2 il volume di
ossigeno si ha :
VO2
= 21 % Varia = 0,21 Varia
Varia = 1 m3 / 0,21 = 4,76 m3
Per alimentare 1 m3 di ossigeno si deve prevedere
un volume di aria pari a 4,76 m3 : cioè 4,76 m3 di
aria contengono 1 m3 di ossigeno e 3,76 m3 di
azoto.
1 m3 di ossigeno
4,76 m3 di aria
3,76 m3 di azoto.
10
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 :
CH4 + 2 O2
= 2 H2O + CO2 + 803 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 m3 di CH4
1 m3 di H2
1 m3 di CO
1 m3 di CmHn
richiede 2
richiede 0,5
richiede 0,5
richiede (m+n/4)
m3
m3
m3
m3
di O2
di O2
di O2
di O2
Con riferimento all’aria si hanno i seguenti volumi stechiometrici :
1 m3 di CH4
1 m3 di H2
1 m3 di CO
1 m3 di CmHn
richiede 9,52
richiede 2,38
richiede 2,38
richiede 4,76 (m+n/4)
m3 di aria
m3 di aria
m3 di aria
m3 di aria
11
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 (C3H8)
e il butano (C4H10 )
CmHn + (m+n/4) O2 = n/2 H2O + m CO2
C3H8 + (3+8/4) O2 = 8/2 H2O + 3 CO2
C4H10 + (4+10/4) O2 = 10/2 H2O + 4 CO2
C3H8 + 5 O2 = 4 H2O + 3 CO2
C4H10 + 6,5 O2 = 5 H2O + 4 CO2
0,35 m3 di propano richiedono :
1 : 0,35 = 5 : x
da cui si trova : x = 1,75 m3 di O2
0,65 m3 di butano richiedono :
1 : 0,65 = 6,5 : y
da cui si trova : y = 4,22 m3 di O2
In totale si avrà un contenuto di ossigeno pari a :
x + y = 5,97 m3 di O2 che richiede 28,4 m3 di aria.
12
Calcolo dell’aria teorica per miscele di combustibili
gassosi( formula generale)
Se indichiamo con CO , H2, CH4, CmHn ed O2 le percentuali volumetriche
dei vari componenti presenti in una miscela di combustibili gassosi si
ottiene la seguente espressione per l’aria teorica in volume, Atv (metri cubi
di aria per metro cubo di combustibile gassoso, m3 / m3) :
Atv = (CO + H2) 2,38 /100 + CH4 9,52 /100 +
+ 4,76 [ Σi (mi+ni/4)CmiHni ] /100 - 4,76 O2 /100
l’ultimo termine (negativo ) tiene conto dell’eventuale presenza di ossigeno
nella miscela di gas combustibile.
In massa, l’espressione precedente diventa :
Atm = Atv ρaria = 1,293 Atv
Infatti la densità dell’aria a 298 K è pari a circa 1,293 kg/m3
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 , Av (o Am), che sarà
sempre
maggiore del valore teorico Atv (o Atm) .
Il rapporto n = Av/Atv 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 ) 100
13
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 :
Gv= n Atv - 0,21 Atv + (CO + H2 + N2 + CO2 + H2O) /100 +
+ 3 CH4 / 100 +
Σi [(mi + ni / 2)CmiHni ] / 100
dove :
Gv
il volume dei gas combusti per m3 di combustibile bruciato
n Atv
è il volume reale di aria che entra nel focolare
0,21 Atv
è il volume di ossigeno che viene consumato nella combustione
e che quindi non si trova nei fumi
CO + H2 + N2 + CO2 + H2O 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
CH4
è la concentrazione percentuale volumetrica di metano nel
combustibile : ogni mole di metano, bruciando, produce 3 moli
di prodotti
14
CmiHni
sono le concentrazioni percentuali
idrocarburi presenti nel combustibile
volumetriche
degli
Con facili passaggi la formula di Gv può essere semplificata in :
Gv = n Atv + 1 - 0,005 (CO + H2) + 0,0025 Σi [(ni - 4)CmiHni ]
Se si desidera esprimere la portata dei fumi in massa si ha :
Gm = n Atm + ρ combustibile
[ Kg / m3]
espresso in kg di fumi per m3 di combustibile
Queste formule per Gv valgono solo per combustioni complete !
15
Esempio
Calcoliamo Atv e Gv per la combustione di un gas naturale
di composizione volumetrica percentuale :
CH4
C2H6
C3H8
N2
= 95,5 %
= 1,4 %
= 0,9 %
= 2,2 %
si assuma l’indice d’aria il valore n = 1,3
Atv = 95,5 9,52 /100 + 4,76 [(2 + 6/4) 1,4/100 +
(3 + 8/4) 0,9]/100 = 9,1 + 0,447 =
= 9,54 m3 di aria / m3 di gas naturale
Gv = 1,3 9,54 - 0,21 9,54 + 2,2/100 + 3 95,5/100 +
+ [( 2 + 6/2) 1,4 + (3 + 8/2) 0,9 ] /100 =
= 13,42 m3 di fumi / m3 di gas naturale
Si ha pure :
Atm = 1,293 Atv = 1,293 9,54 =
= 12,33 kg di aria / m3 di gas naturale
Gm = n Atm + ρ comb = 1,3 12,33 + 0,72 =
= 16,75 kg di fumi / m3 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
[Gtv]fs cioè per il calcolo della portata di fumi quando la reazione avvenga
con aria stechiometrica e riferita ai fumi secchi.
16
Nella formula di Gv dobbiamo porre n = 1 e sottrarre l’acqua che si forma
dai combustibili contenenti idrogeno. Con facili passaggi si ottiene :
[Gtv]fs = Atv + 1 - 0,005 (CO + 3H2) - 0,0025 Σi [(ni+ 4)CmiHni ]
Esempio
Calcoliamo [Gtv]fs per la combustione di un gas naturale
dell’esempio precedente :
[Gtv]fs = 9.54 + 1 - 0,0025 [ 10 x1,4 +12 x 0,9] = 10.48
m3 di fumi secchi / m3 di gas naturale
Il volume dei fumi secchi effettivo , cioè non stechiometrico, ma con
eccesso d’aria è dato da :
[Gv]fs = [Gtv]fs + (n - 1) Atv
17
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 CO2 ) 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
Esempio
Si supponga che 1 mc di metano bruci
completamente in condizioni stechiometriche in
aria ; si determini la concentrazione volumetrica
aTPN , della CO2 nei fumi umidi e nei fumi secchi.
Soluzione
La reazione stechiometrica del metano è
CH4 + 2 O2 + 7.52 N2 = 2 H2O + CO2 + 7.52 N2
la concentrazione percentuale volumetrica della CO2
nei fumi umidi è :
[CO2] fu = Volume di CO2 / Volume totale dei fumi
= 1 / (2 + 1 + 7.52) = 1 / 10.52 = 9.5 %
19
la concentrazione percentuale volumetrica della
CO2 nei fumi secchi è :
[CO2] fs = Volume di CO2 / Volume di CO2 e di N2 =
= 1 / (1 + 7.52) = 1 / 8.52 = 11.7 %
Calcolo dell’indice d’aria n
Dalle relazioni precedenti si ha :
[CO2]fs stech = CO 2 / [Gtv] fs 100
[CO2]fs
= CO 2 / [Gv]
fs
100
e con semplici passaggi e ricordando che :
[Gv]fs = [Gtv]fs + (n - 1) Atv
si ottiene :
[CO2]fs stech / [CO2]fs = [Gv] fs / [Gtv] fs = 1 + (n - 1) Atv/ [Gtv] fs
e quando il rapporto Atv/ [Gtv]
fs
è circa pari ad 1 si semplifica a :
[CO2]fs stech / [CO2]fs = n
che diventa l’espressione
dell’indice d’aria.
per
il
calcolo
Questa formula dà luogo ad errori gravi se applicata :
20
• a combustibile ricco di H2 e CO
• combustibile ricco di N2 ( per es. gas d’alto forno in
cui [Gtv] fs / Atv = 2 ! )
Altra espressione comunemente utilizzata, nella
stessa ipotesi di Atv/ [Gtv] fs = 1 , per il calcolo di
n è:
n = 21/ ( 21 - O2 )
è la concentrazione residua di
dove O2
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
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
• 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 CO2 e di opacità.
23
Temperature e composizione dei fumi scaricati da un
generatore di calore
Combu=
stibile
Numero
di
Bacharach
CO
CO2
T. Fumi
Metano
0
GPL
0
80
Gasolio
0-1
140
12 - 14
140 - 160
Olio C.
BTZ 1% S
Olio C.
BTZ 3%S
2-4
140
12 - 13
160 - 180
2-4
140
12 - 13
180 - 200
ppm
%
°C
f. secchi) f. secchi)
80
9,7 – 10,5 130 - 150
11,5 –12,8 130 - 150
24
Emissioni in atmosfera
La norma tecnica UNI 10389 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
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 COt,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.
2.
3.
4.
La combustione stechiometrica
La combustione con eccesso d’aria
La combustione in difetto d’aria
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
La combustione stechiometrica
In questo caso nei fumi non sono presenti né
ossigeno , O2 , 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,
CO2, acqua H2O, azoto N2 ed eventualmente, ossido
di zolfo SO2.
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: O2, CO2, H2O, N2, NOx, ed
eventualmente, SO2.
La combustione in difetto d’aria
E’ una condizione di malfunzionamento; nei fumi è
assente l’ossigeno O2, ma è presente combustibile
incombusto. I fumi contengono anche CO, fuliggine,
CO2, H2O, N2, NOx, ed SO2.
27
La combustione incompleta
E’
anche
questa
una
condizione
di
malfunzionamento; nei fumi sono presenti: il
combustibile, l’ossigeno, CO e fuliggine, CO2, H2O,
N2, NOx, ed SO2 .
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 CO2 percentuale nei fumi
secchi;
• La concentrazione di O2 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
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.
18
16
GAS
14
12
n=1,5
CO=0%
O2 (%)
10
P2
8
n=1,2
6
n=1,1
4
P1
n=1
2
CO=10%
0
2
CO=5%
4
6
8
10
12
14
CO2 (%)
La figura riporta, per esempio, il triangolo di Ostwald
relativo al metano. Ogni combustibile ha un proprio
e specifico triangolo di Ostwald.
29
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 CO2 = 11,7 ed
O2 = 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 (O2 nei fumi = all’O2 nell’aria =20,9 %) e
concentrazione di CO2 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%
CO2 = 9 %
Caso B O2 = 8 %
CO2 = 13 %
30
Soluzione
Caso A : i valori dati corrispondono al punto
P1 interno al triangolo; per tale punto si
ottiene pure:
O2 = 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
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.
a “ modulazione di fiamma “
Regolazione
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
Convettiva
T fiamma
Perdita fumi
T fumi
Te
Pu
Pf
P
Dove Pf è la quantità di calore perduta con i fumi nell’unità di tempo, che
può essere calcolata come :
32
Pf = Csf pf ( Tf - Te )
Essendo
Csf
pf
Tf
Te
il calore specifico dei fumi
la portata dei fumi
la temperatura dei fumi
la temperatura esterna
Fumi
Te
Edificio
Bruciatore
Caldaia
T2
Ti
T1
Combustibile
Aria a Te
Te
Ti
T2
T1
Tf
Temperatura esterna
Temperatura interna
Temperatura di mandata dell’acqua all’utenza
Temperatura di ritorno dell’acqua in caldaia
Temperatura dei fumi all’uscita dalla caldaia > T2
La quantità di calore trasferita nell’unità di tempo (effetto utile) sarà:
Pu = p (T2
- T1)
Essendo p la portata d’acqua
Calore utile e perdite
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
Pfoc = 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 Pfoc sarà
suddivisa in :
• Pu come potenza necessaria ad aumentare la temperatura del fluido
vettore all’uscita della caldaia (Potenza utile)
• Pf come potenza immessa in atmosfera attraverso i fumi caldi
(Potenza persa al camino)
• Pirr come potenza persa attraverso l’involucro della caldaia (Potenza
persa per irraggiamento e convezione dal mantello della caldaia)
• Pinc come potenza persa per non completa combustione (presenza di
incombusti )
Il bilancio energetico di una caldaia sarà:
Pfoc = Pu +Pf + Pirr + Pinc
Che, nell’ipotesi che il termine Pinc sia trascurabile, diventa :
Pfoc = Pu + Pf + Pirr
Schema semplificato di bilancio energetico della caldaia
34
Pf
Pfoc
Pu
Pconv
Pirr
Il rendimento utile ηu della caldaia è espresso dal rapporto :
Pfoc – (Pirr +Pf )
Pu
ηu
=
= 1 -
=
Pfoc
(Pirr + Pf )
Pfoc
P
foc
ed esprime la frazione di combustibile che viene utilizzata ai fini desiderati.
Il rendimento di combustione convenzionale ηc 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 :
Pc
ηc
=
Pfoc – Pf
= 1 -
=
Pfoc
Pf
Pfoc
Pfoc
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
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 CO2.
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 Pirr 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 Pirr molto piccole (1 –2% ) della
potenza termica del focolare, mentre piccole caldaie possono avere Pirr
pari anche al 10% della potenza termica del focolare.
Una verifica si può effettuare stimando la dimensione S dell’involucro ,
misurando la temperatura media Ts della superficie , attribuendo un
coefficiente di scambio ( circa 8 w/m2°C) e misurando la temperatura Te del
locale caldaia.
Pirr = 8 S (Ts
-
Te )
Perdita nei fumi
Tale perdita è proporzionale al prodotto della portata dei fumi per la loro
temperatura.
36
La portata dipende dall’eccesso d’aria, mentre la Tf dovrebbe essere
superiore alla temperatura di mandata T2 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
CO
di
CO2
Bacharach (ppm f. secchi ) (% f. secchi )
Tfumi
( °C )
Metano
0
80
9,7 – 10,5
100 - 130
GPL
0
80
11,5 – 12,8
100 - 130
Gasolio
0-1
140
12 - 14
140 - 160
Olio Comb.
BTZ (1%)
Olio Comb.
(3%)
2-4
140
12 - 13
160 - 180
2-4
140
12 - 13
180 - 200
Se tale temperatura Tf 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 CH4.
Una troppa elevata Tf 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 :
Pf= Mc Gm cf (Tf – Te )
Dove :
37
sono i m3 / s di combustibile gassoso
Mc
Gm
sono i Kgfumi / m3 di combustibile
è il calore specifico dei fumi a p costante, in J/ Kgfumi °C
cf
(Tf – Te ) è il salto di temperatura tra ingresso e uscita della caldaia
La potenza termica percentuale persa al camino ( Qs nella nomenclatura
UNI ) è pari a :
Qs = 100 Pf / Pfoc
ossia :
Mc Gm cf (Tf – Te )
Qs = 100 ------------------------- =
Mc PCI
Gm cf (Tf – Te )
Qs = 100 ---------------------PCI
Esempio
Ricaviamo l’espressione di per una combustione che utilizzi metano.
Ricordiamo che :
densità del metano : ρ CH4= 0,717 kg/m3
PCI del metano = 36 106 J/m3
Calore specifico medio a pressione costante per i fumi della combustione
cf = 1.040 J/ kg °C
38
Valutiamo la portata dei fumi Gm
Gm = n Atm + ρ CH4
Atm = Atv ρ aria = Atv 1,293
Atv = 9,52 m3 aria/ m3 CH4
Atm = 1,293 . 9,52 = 12,31 kg aria/ m3 CH4
per cui :
Gm = n Atm + ρ CH4 = CO2 teorica /CO2 12,31 + 0,717 =
= 11,7/ CO2 12,31 +0,717 = 144/ CO2 + 0,717
la si può dunque scrivere :
Qs = 100
( 144/ CO2 + 0,717 ) 1.044 (Tf – Te )
------------------------------------------------ =
PCI
= 100
( 149.760/ CO2 + 746) (Tf – Te )
------------------------------------------------ =
36 10 6
= ( 0,42/ CO2 + 0,002 ) (Tf – Te )
Formule analoghe sono riportate per i vari tipi di combustibile nella norma
UNI 10389 nella forma :
Qs = ( A2/ CO2 + B ) (Tf – Te )
Dove i valori A2 e B sono indicati ,per ogni combustibile, in un apposito
prospetto.
39
Rendimento utile e consumo specifico
Pu
Pu
ηu = ---------- = ----------Pfoc
Mc PCI
(1)
Dove
Pu è la potenza utile in W
Mc sono i kg/s (oppure m3/s) di combustibile utilizzati
PCI è il potere calorifico inferiore, in J/kgcomb (oppure J/m3comb)
Nella (1) dividendo numeratore e denominatore per Pu ; si ha :
1
1
ηu = --------------- = -------------Mc PCI/Pu
mc PCI
(2)
dove mc è il consumo specifico di combustibile espresso in kg/s.W
( o in m3 /s .W ). Dalla (2) si ottiene anche :
1
mc = -------------ηu PCI
che mostra come il consumo specifico per unità di potenza utile sia
inversamente proporzionale al valore del rendimento utile: quanto più
elevato è ηu tanto minore sarà il consumo specifico.
Esempio
Si calcoli il consumo specifico per unità di potenza mc per una caldaia a
metano con P u = 29.000 e ηu = 70 %; si ripeta il calcolo per ηu = 90 %.
1° caso
mc1 = 1/ ηu1 PCI = 1/ 0,70 36 10 6 = 3,968 10-8 m3/s W
40
2° caso
mc2 = 1/ ηu2 PCI = 1/ 0,90 36 10 6 = 3,086 10-8 m3/s W
mentre il consumo orario Mc (Mc = mc Putile)sarà nei due casi :
1° caso
Mc1 = 3,968 10-8 29.000 = 1,151 10-3 m3/s = 4,14 m3/h
2° caso
Mc2 = 3,0,86 10-8 29.000 = 8,949 10-4 m3/s = 3,22 m3/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
• CO2 nei fumi (secchi)
6,3 %
• Combustibile metano, PCI
8.570 kcal/m3 =
=9,97 kWh/m3
Si calcolino Qs, Pf, Pconv , ηu, ηconv
Soluzione
Se la temperatura dell’aria ambiente è pari a 20°C si ha, utilizzando
la formula riportata nell’UNI 10389.
41
La perdita percentuale nei fumi è :
Qs = (A2/ CO2 + B) (Tf – Te ) = ( 0,38/ 6,3 + 0,01 ) (150 – 20 ) = 9,1 %
La potenza persa nei fumi è :
Pf = Qs Pfoc /100 = 9,1 * 20 / 100 = 1,82 kW
La potenza convenzionale sarà :
Pconv = Pfoc - Pf = 20 – 1,82 = 18,2 kW
I rendimenti saranno :
ηconv = 18,2/20 = 91 %
= 18/20 = 90 %
ηu
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
Pf =1,82 kW
9,1%
42
Pfoc=20 kW
Pu =18 kW
100%
Pconv
90%
Pirr = 0,18 kW
0,9%
Bilancio energetico:
Pfoc = Pu + Pf + Pirr
In valore assoluto :
20 = 18 + 1,82 + 0,18
In valore percentuale : 100 = 90 + 9,1 + 0,9
Rendimenti :
ηu = 100 Pu / Pfoc = 100 18/20 = 90 %
ηconv = 100 Pconv / Pfoc = 100 (Pfoc - Pf)/ Pfoc = 100 (20 – 1,82)/20 =
= 100 18,2/20 = 91 %
Esempio
Utilizzando l’espressione di Qs, riportata nelle
UNI 10389, si calcoli la perdita percentuale nei
fumi per i seguenti quattro casi :
43
1. metano, CO 2 = 6% , Taria = 20°C, T f = 140°C
2. come 1) ma la T f = 240°C
3. gasolio, CO 2 = 12% , Taria = 20°C, T f = 180°C
4. come 3) ma la T f = 280°C
Soluzione
Metano
1) Qs = ( 0,38/6
+ 0,01) (140 – 20 ) = 8,8%
2) Qs = ( 0,38/6 + 0,01) (240 – 20 ) = 16,1%
Qs aumenta di circa 7 punti percentuali quando
la temperatura fumi passa da 140 °C a 240 °C
Gasolio
3) Qs = ( 0,50/12 + 0,007) (180 – 20 ) = 8%
4) Qs = ( 0,50/12+ 0,007) (280 – 20 ) = 13%
44
Qs aumenta di circa 5 punti percentuali
quando la temperatura fumi passa da 180
°C a 280 °C
45