Considerazioni di fattibilità sull`utilizzo dei motori Dual Fuel Diesel

Transcript

Università degli Studi di Napoli Federico II
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Navale
(Classe delle lauree in Ingegneria Industriale – n.10)
Elaborato di Laurea
Considerazioni di fattibilità sull’utilizzo dei
motori Dual Fuel Diesel Metano Sulle
Piccole Imbarcazioni
Relatore:
Candidato:
Chiar.mo
Prof. Franco Quaranta
Alberto Alferi
538/632
Anno Accademico 2011-2012
Alla mia famiglia.
i
Indice
1 Proprietà dei gas
1.1 Le leggi dei gas ideali . . . . . . . .
1.2 I gas reali . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Le interazioni molecolari . . .
1.2.2 Viriali e isoterme . . . . . . .
1.2.3 Le costanti critiche . . . . . .
1.2.4 L’equazione di van der Waals
1.2.5 I gas a confronto . . . . . . .
1.2.6 Proprietà fisiche . . . . . . . .
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3
3
4
5
7
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10
2 I gas di interesse pratico
2.1 Gas naturale: Metano . . . . . . . . .
2.1.1 caratteristiche tecniche Metano
2.2 Gas di Petrolio Liquefatto: GPL . . . .
2.2.1 caratteristiche tecniche GPL . .
2.3 Il gas come combustibile . . . . . . . .
2.3.1 LNG - CNG . . . . . . . . . . .
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46
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3 Motori
3.1 Il motore a combustione interna . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Classificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Campi d’applicazione . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3 Organi fondamentali dei m.c.i . . . . . . . . .
3.1.4 Parametri caratteristici . . . . . . . . . . . . .
3.1.5 I cicli teorici . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.6 Ciclo Otto - motori ad accensione comandata
3.1.7 Ciclo Diesel - motori ad accensione spontaneta
3.1.8 Il ciclo Sabathè . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.9 Sistema d’alimentazione . . . . . . . . . . . .
3.2 Motorizzazioni presenti sul mercato . . . . . . . . . .
3.3 Motori Gas Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Motori Full Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Motore diesel a 4 tempi dual fuel
4.1 Principio di funzionamento . . . .
4.2 Schema di funzionamento . . . .
4.3 Elementi dell’impianto . . . . . .
4.4 Sistemi di sicurezza . . . . . . . .
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5 The
5.1
5.2
5.3
Protocol of MARPOL Annex
Emissioni NOx . . . . . . . . . .
Lo zolfo nei combustibili . . . . .
Sostanza lesive dell’ozono . . . . .
VI
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6 Registri
63
6.1 ABS Propulsion and auxiliary system for gas fueled ship . . . . . . . 63
6.2 RINa Gas Fuelled Ships pt C, Ch 1, App 7 . . . . . . . . . . . . . . . 66
7 Conclusioni
68
Bibliografia
70
iii
Elenco delle figure
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Isoterme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fattore di Comprimibilità. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fattore di Comprimibilità a bassa pressione. . . . . . . . . . . . . .
Fattore di Comprimibilità per i gas a pressione atmosferica. . . . .
Fattore di Correzione Temperatura Critica . . . . . . . . . . . . . .
Stima della Pressione e Temperatura Critica a partire dal peso specifico
del gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Densità Idrocarburi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Serbatoi Gpl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Variazione della tensione di vapore GPL con la temperatura
Variazione calore latente in funzione della temperatura . . .
Variazione densità fase liquida in funzione della temperatura
logo CNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Densità gas naturale comparata al gas liquefatto . . . . . . .
Diagramma di stato Metano . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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23
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3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
Motore navale . . . . . . . . . . . . . . .
Parametri caratteristici . . . . . . . . . .
Diagramma indicato . . . . . . . . . . .
Ciclo Otto . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ciclo Diesel . . . . . . . . . . . . . . . .
Ciclo Sabathè . . . . . . . . . . . . . . .
Carburatore . . . . . . . . . . . . . . . .
Iniezione indiretta . . . . . . . . . . . .
Iniezione diretta . . . . . . . . . . . . . .
Motore Gas-Diesel . . . . . . . . . . . .
Motore Dual-Fuel . . . . . . . . . . . . .
Motore Spark Ignited . . . . . . . . . . .
Motore Gas Diesel . . . . . . . . . . . .
Fuel sharing . . . . . . . . . . . . . . . .
Motore Full Gas . . . . . . . . . . . . .
Funzionamento motore Full Gas . . . . .
Valvola gas della pre-camera combustione
Funzionamento motore Full Gas . . . . .
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44
44
4.1
4.2
4.3
Fasi motore 4T DF in Gas Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Iniettore di un motore a quattro tempi dual fuel . . . . . . . . . . . .
Campo dei valori del rapporto di miscela che consentono il funzionamento regolare di un motore a quattro tempi dual fuel . . . . . . . . .
Condotti di adduzione combustibile motore Dual Fuel . . . . . . . . .
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4.4
iv
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azionata
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dall’albero
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4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19
4.20
4.21
Finestra switch Gas/Diesel Mode . .
Processo di Bunkeraggio . . . . . . .
Incremento della Pressione nella tank
Funzionamento normale . . . . . . .
Gas Valve Unit . . . . . . . . . . . .
Pompa fluido pilota . . . . . . . . . .
Piping Gas . . . . . . . . . . . . . .
Testata cilindro . . . . . . . . . . . .
Valvola gas . . . . . . . . . . . . . .
Iniettore . . . . . . . . . . . . . . . .
Limiti di infiammabilità del metano .
zone pericolose attorno al motore . .
Sistema di controllo carter . . . . . .
Sezione valvola di esplosione . . . . .
dinamica valvola di esplosione . . . .
Sistema di controllo . . . . . . . . . .
Ventilazione GVU . . . . . . . . . .
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5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
Inquinanti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Emission Control Area . . . . . . . . . . . . . . . .
Produzione NOx in funzine pressione ed eccesso aria
Limite NOx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Limiti emissioni NOx . . . . . . . . . . . . . . . . .
Limiti di zolfo e date di attuazione . . . . . . . . .
Limiti di zolfo nel carburante - Marpol VI . . . . .
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6.1
6.2
Sistemazione serbatoi gas su ponti aperti . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Sistemazione serbatoi gas in ambienti chiusi . . . . . . . . . . . . . . 65
v
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Elenco delle tabelle
1.1
Calcolo della pressione e temperatura critica per un gas naturale . . . 10
2.1
2.2
Proprietà fisico chimiche fondamentali del gas naturale . . . . . . . . 19
Proprietà fisico chimiche fondamentali del gpl . . . . . . . . . . . . . 25
vi
Introduzione
Questo elaborato nasce conseguentemente l’attività di tirocinio svolta nell’ambito
dello studio dei gas, quali Metano e Gpl come combustibili dei motori a combustione
interna. Pertanto la tesi si divide in due sezioni. La prima dedicata alle proprietà dei
gas, facendo quindi panoramica sulla teoria dei gas ideali e poi reali, per poi andare
ad analizzare i due gas principalmente presenti sul mercato bruciati nei motori a
combustione interna, appunto Metano e Gpl.
Si passa poi alla sezione dedicata ai motori, qui si procede con un breve richiamo sui
motori a combustione interna e sul loro funzionamento, per poi analizzare i motori a
gas presenti oggi sul mercato: fulled gas, gas diesel, Dual Fuel.
L’attenzione viene posta sui motori Dual Fuel, ultimo ritrovato tecnologico, capaci
di rientrare all’interno delle prerogative antiinquinamento imposte dalla Marpol per
la riduzione delle emissioni di NOx , SOx e particolato.
Vengono altresì richiamati alcuni concetti chiave stabiliti dai registri navali quanto a
sicurezza (RINa - ABS). Nella speranza che quanto ora esposto diventi al più presto
una solida realtà.
Alberto Alferi
1
1
Proprietà dei gas
1.1
Le leggi dei gas ideali
Le prime misure affidabili delle proprietà dei gas furono effettuate nel 1662 dallo
scienziato Robert Boyle che prese in considerazione gli effetti della pressione sul
volume. La sua conclusione fu che il volume di una quantità di gas diminuisce
all’aumentare della pressione alla quale viene assoggettato. Boyle si rese dunque
conto che per una data quantità di gas considerato a temperatura costante il volume
è inversamente proporzionale alla pressione:
V =
1
P
(1.1)
Questa relazione è nota come legge di Boyle; essa implica che, comprimendo un
gas isotermicamente (a temperatura costante) fino alla metà del volume iniziale, per
esempio da 1L a 0,5L la pressione è destinata a raddoppiare. La legge di Boyle si
può formulare cosi come segue:
(1.2)
P V = costante
Dunque la pressione di una data quantità di gas a temperatura costante è inversamente
proporzionale al volume.
Un secolo e mezzo più tardi due ricercatori francesi, Jacques Charles e Joseph Louis
Gay Lussac, interessati agli aerostati, effettuarono una serie di esperimenti con
la speranza di migliorare le prestazioni dei loro aerostati; essi constatarono che a
condizione di mantenere costante la pressione, il volume dei gas aumenta con la
temperatura. Riportando in diagramma il volume in funzione della temperatura
ottennero una retta, il che permise loro di concludere che per una data quantità di
gas mantenuta a pressione costante il volume varia linearmente con la temperatura.
La relazione è nota come legge di Charles.
P = costante
V ∝T
(1.3)
V = costante
P ∝T
(1.4)
L’enunciato matematico che riunisce queste tre leggi prende il nome di Legge
dei Gas Ideali, e risulta:
P V = nRT
(1.5)
Dove:
2
1 – Proprietà dei gas
• P = Pressione;
• V= Volume;
• n = Numero di Moli ;
• R = Costante dei Gas;
• T = Temperatura.
La legge dei gas ideali è un esempio di equazione di stato, cioè di un’espressione che
mostra come la pressione di una sostanza si correli con la temperatura, il volume e
la quantità di sostanza che costituisce il campione. Un gas che in tutte le condizioni
obbedisca alla legge del gas ideale si definisce, appunto, gas ideale. I gas mostrano
tutti di obbedire all’equazione sempre più accuratamente a mano a mano che si
riduce la pressione verso lo zero per P → 0. Ciò vuol dire che la legge del gas ideale
è una legge limite, una legge strettamente valida solo in corrispondenza di un certo
limite, precisamente P → 0. Questa sua natura di legge limite non toglie che tale
legge sia accettabilmente affidabile ai valori normali della pressione, sicché la si può
utilizzare come punto di partenza per discutere le varie proprietà dei gas.
1.2
I gas reali
La legge dei gas ideali, PV= nRT, è una equazione di stato che riassume tutte le
relazioni atte a descrivere la risposta del gas ideale ai cambiamenti di pressione, di
volume, di temperatura e di numero di moli; è un esempio di legge limite. Infatti,
come detto, i gas che obbediscono a questa legge si definiscono gas ideali. La
legge dei gas ideali è una legge limite, come visto prima strettamente valida solo in
corrispondenza di un certo valore limite, precisamente per P → 0. Sappiamo che le
deviazioni dal comportamento ideale si verificano effettivamente, perchè un gas non si
può raffreddare fino ad annullarne il volume nè privarlo dell’esistenza comprimendolo
indefinitivamente. Sappiamo pure che in determinate condizioni i gas si trasformano
in liquidi e in solidi. I gas veri, che definiamo Gas Reali, hanno proprietà diverse
da quelle previste dai gas ideali, e queste differenze divengono importanti soprattutto
alle alte pressioni e a basse temperature.
1.2.1
Le interazioni molecolari
L’origine microscopica delle deviazioni dal comportamento ideale risiede nell’interazione fra le singole particelle. Per quanto minuscoli, gli atomi e le molecole non sono
infinitesimi, ed essi resistono al tentativo di ravvicinarli eccessivamente. Potremmo
esser tentati di credere che sia più difficile comprimere un gas reale che uno ideale,
ma non dobbiamo ignorare che le molecole tendono pure ad attrarsi vicendevolmente
(è la ragione per la quale si formano liquidi e solidi) e che le attrazioni fra le molecole
favoriscono la compressione.
La chiave del problema sta nel fatto che le forze repulsive diventano sensibili solamente quando le particelle si trovano quasi a contatto:le forze repulsive sono interazioni
a breve raggio, anche su una scala riferita al diametro molecolare. E’ prevedibile che
esse acquistino importanza quando mediamente le particelle si trovano vicinissime, il
che corrisponde a densità e pressioni elevate. Il raggio d’azione delle forze attrattive è
relativamente lungo, sicchè esse sono in grado di agire a distanza di parecchi diametri
molecolari. La conseguenza è che sono già importanti quando le molecole si trovano
vicine ma non necessariamente in contatto. Anch’esse, tuttavia, risultano inefficaci
quando le particelle sono mediamente lontane le une dalle altre. In definitiva a
3
densità moderate le forze attrattive predominano su quelle repulsive e ciò fa sì che
sia più facile comprimere un gas reale che uno ideale. A densità elevate, al contrario,
prevalgono le interazioni repulsive, ed è prevedivile che il gas reale risulti meno
comprimibile. A densità bassissime le particelle sono in media talmente distanti
che le forze intermolecolari non giocano praticamente alcun ruolo, e il gas acquista
comportamento ideale. Che tale sia effettivamente il comportamento dei gas reali lo
si può mettere in evidenza attraverso il fattore di compressibilità:
Z=
P Vm
PV
=
RT
nRT
(1.6)
Per un gas ideale Z = 1 in tutte le possibili condizioni, capiamo dunque che la
deviazione dal valore unitario è indizio e misura del grado di non idealità. A valori
bassissimi della pressione la maggior parte dei gas manifestano un fattore di compressibilità prossimo all’unità, sicchè il loro comportamento è tendenzialmente ideale.
A pressione elevata tutti i gas mostrano Z > 1, ciò vuol dire che, rispetto al gas
ideale, riescono più difficilmente comprimibili (il prodotto pVm è maggiore di RT):
chiaramente dominano, ora, le forze repulsive. A pressioni intermedie alcuni dei gas
manifestano un valore di Z < 1, lasciando intuire che si verifica il sopravvento delle
forze attrattive e che queste favoriscono la compressione. Taluni gas manifestano
deviazioni accentuate dal valore unitario di Z solamente a pressioni moderatamente
elevate: è un fatto confortante, perchè prova che la legge del gas perfetto vale in
condizioni ordinarie per un buon numero di gas. Vi sono alcuni gas abbastanza
comuni, però (come l’ammoniaca, per fare un esempio), che anche a pressioni basse
manifestano deviazioni molto consistenti. Da tutto ciò emerge, ove si vogliano formulare previsioni ultili, la necessità di attrezzarsi per fare i conti con il carattere non
ideale dei gas.
Possiamo quindi dire che l’equazione di stato dei gas ideali si adatta all’uso pratico mediante il fattore di compressione Z, parametro importantissimo da tenere in considerazione per molte applicazioni ingegneristiche.
Una volta noto Z, il calcolo della pressione, temperatura, volume può esser condotto
tanto per alte pressione tanto per basse pressioni.
1.2.2
Viriali e isoterme
Il prossimo passo che compiremo nell’analisi delle deviazioni dei gas reali dal
comportamento ideale è quello di prendere in considerazione tutti e tre i parametri p,
V e T contemporaneamente. A densità basse e a temperature elevate le isoterme reali
e ideali non mettono in luce differenze eccessive, ciononostante ve ne sono alcune,
il che induce a ritenere che la legge del gas ideale non sia che il primo termine di
un’espressione più complicata della forma
n
o
0
0
pVm = RT 1 + B p + C p2 + . . .
(1.7)
Per molte applicazioni è più conveniente lo sviluppo
B
C
pVm = RT 1 +
+
+ ...
Vm Vm2
4
(1.8)
Le espressioni su riportate sono le equazioni di stato viriali1 . I coefficienti B,
C, etc. vanno sotto il nome di secondo, terzo, etc., coefficienti viriali. Il terzo
coefficiente viriale è di solito meno importante del secondo. I coefficienti dipendono
dalla temperatura e, a seconda del gas considerato, può esistere un particolare valore
della temperatura in corrispondenza del quale B’=0. In un caso siffatto pVm ≈ RT
entro un campo di pressioni ampio, in quanto sia C’p che i termini superiori si
rendono trascurabili. Questa temperatura, alla quale il gas assume comportamento
pressocchè ideale, si chiama temperatura di Boyle, TB . Per l’elio TB =22,64 K;
per l’aria TB =346,8 K. Le equazioni viriali possono servire a sollevare un altro punto
importante. Esaminiamo l’inclinazione del fattore di compressibilità in funzione della
pressione. Per un gas perfetto dZ/dp = 0, mentre per un gas reale
dZ/dp = B 0 + 2pC 0 + . . .
(1.9)
e al limite della pressione nulla l’espressione uguaglia B’, che non è necessariamente
nulla (eccetto che alla temperatura di Boyle). La conseguenza di quanto si è detto
è che, sebbene al tendere a zero della pressione il fattore di compressibilità (e in
generale l’equazione di stato) tenda a coincidere con la corrispondente espressione
ideale, non altrettanto vale per l’inclinazione del diagramma. Come vedremo, ci sono
altre proprietà che dipendono da derivate come questa, e ciò permette di affermare
che in generale le proprietà dei gas reali non sempre coincidono con quelle del gas
ideale, neanche a bassa pressione.
Anche se in parecchie condizioni le deviazioni dal comportamento ideale sono contenute, la forma complicata delle isoterme mostra come in condizioni diverse si verifichino
deviazioni considerevoli.
1.2.3
Le costanti critiche
L’isoterma corrispondente alla temperatura Tc gioca nella teoria degli stati di
aggregazione della materia un ruolo specialissimo.
Figura 1.1: Isoterme.
Un’isoterma che si collochi una frazione di grado al di sotto di Tc manifesterà
l’andamento or ora descritto: a un particolare valore della pressione si separa un
1
l’aggettivo deriva dalla parola latina con cui si indica la forza: vis
5
liquido che si distingue dal vapore per la presenza del menisco. La separazione
delle fasi ha luogo a pressione definita, ed anche se il volume al quale il gas è stato
totalmente liquefatto è solo lievemente inferiore a quello nel quale compare per la
prima volta il liquido, è visibile per poco una superficie di separazione. Se, però, la
compressione ha luogo proprio alla temeperatura Tc , non compare una superficie
di separazione fra le fasi, e i volumi corrispondenti a ciascun estremo del segmento
orizzontale dell’isoterma si sono fusi in un unico punto, il punto critico del gas.
Alla temperatura critica (Tc ) e al di sopra di essa (area I) la fase liquida non si
forma. La pressione e il volume molare al punto critico si dicono rispettivamente
pressione critica, pc , e volume molare critico, Vm,c . Nel loro insieme pc , Vm,c e
Tc prendono il nome di costanti critiche del gas. I dati relativi all’azoto, per fare un
esempio, dicono che è impossibile produrre azoto liquido per compressione solamente
fintantochè la temperatura sia superiore a 126,2 K: per ottenere la liquefazione
occorre innanzitutto abbassare la temperatura sotto i 126,2 K e poi effettuare la
compressione.
6
1.2.4
L’equazione di van der Waals
Per utilizzare le equazioni di stato viriali è necessario introdurvi gli specifici valori
dei coefficienti, il che costituisce troppo spesso un procedimento lungo e applicabile
ad un gas per volta. Troveremo conveniente acquistare per i gas un’ immagine sia
pure meno precisa, ma più ampia, e pertanto ci serviremo dell’equazione di stato che
van der Waals trasse da una raffinata esercitazione di logica scientifica applicata
a una situazione complessa sotto il profilo matematico, ma semplice sotto quello
fisico. Lo stesso van der Waals, che la propose in base alle prove sperimentali di cui
disponeva, la accompagnò però con una rigorosa argomentazione termodinamica.
Il nostro fine consiste nel formulare un’espressione semplice che possa fungere da
equazione di stato approssimata per i gas reali. Delle interazioni repulsive si terrà
conto ammettendo ch’esse conferiscano alle particelle il comportamento di piccole
sfere impenetrabili; delle interazioni attrattive ammettendo che abbiano l’effetto di
attenuare la pressione esercitata dal gas.
Il fatto che il volume proprio delle particelle non sia nullo implica che, invece di
muoversi entro il volume V, esse dispongano di uno spazio vuoto accessibile pari a
V −nb, dove nb vale apporssimativamente il volume totale occupato dalle particelle in
quanto tali. Ciò induce a sostituire la legge dei gas ideali, pV = nRT con l’espressione:
p(V − nb) = nRT, p =
nRT
(V − nb)
(1.10)
Le forze attrattive tendono ad aggregare le particelle, riducendo di conseguenza la
pressione della quale sono responsabili. Abbiamo osservato che la pressione dipende
per un verso dalla frequenza degli urti contro le pareti e per l’altro dall’impulso
espresso in ciascun urto. Le forze attrattive agiscono negativamente su entrambi gli
aspetti. Dato che l’intensità con la quale agiscono queste forze è proporzionale alla
concentrazione del materiale gassoso, la pressione risulta attenuata in proporzione con
il quadrato della concentrazione. Se scriviamo la riduzione della pressione nella forma
a(n/V)2 , dove a è una costante caratteristica del gas specificamente considerato,
allora l’effetto congiunto delle forze repulsive e attrattive sarà
p = nRT /(V − nb) = nRT
(1.11)
Per molti fini conviene esprimerla in funzione del volume molare Vm = V/n:
p=
RT
a
− 2
Vm − b Vm
(1.12)
a/V2 m si dice pressione interna del gas.
1.2.5
I gas a confronto
Una tecnica importante per confrontare fra di loro gli oggetti consiste nell’individuarne una proprietà fondamentale e dello stesso genere, e quindi nello stabilire una
scala idonea a determinare la misura. Abbiamo fatto un’applicazione semplice di tale
criterio quando abbiamo riferito le distanze intermolecolari a una scala basata sulla
lunghezza del diametro delle molecole. Abbiamo constatato che le costanti critiche
sono proprietà caraterstiche dei gas: vale dunque la pena di provare a definire una
scala che si basi proprio sopra di esse. A tale fine definiamo le variabili ridotte
dividendo quelle effettive per le corrispondenti costanti critiche:
7
• Pressione ridotta: pr = p/pc
• Volume ridotto: Vr = Vm /Vm,c
• Temperatura ridotta: Tr = T/Tr
Il van der Waals, che fece per primo questo tentativo, nutriva la speranza che alla
medesima temperatura ridotta uno stesso volume ridotto (di gas diversi) esercitasse
la medesima pressione ridotta, speranza che risultò ampiamente fondata. La 1.2
illustra come il fattore di compressibilità Z dipenda dalla pressione ridotta, per una
serie di gas, a diversi valori della temperatura ridotta.
L’osservazione che nel medesimo stato di volume e di temperatura ridotti i gas reali
esercitano la medesima pressione ridotta va sotto il nome di principio degli stati
corrispondenti. Si tratta solamente di un’approssimazione, valida particolarmente
per gas costituiti da particelle sferiche; quando le molecole non hanno forma sferica
o possiedono carattere polare questo principio viene meno.
L’equazione di van der Waals getta luce sul principio testé enunciato. Esprimiamola
a tal fine in funzione delle variabili ridotte:
Figura 1.2: Fattore di Comprimibilità.
r Tc
p = pr pc = VRT
- V 2 Va 2
r Vm,c
r m,c
Ora esprimiamo le costanti critiche in funzione dei coefficienti a e b, servendoci delle
correlazioni:
• Vm,c = 3b
• pc = a / 3V2 m,c = a / 27 b2
• Tc = 8 pc Vm,c / 3 R = 8a/27Rb
pc Vm,c
3
Zc =
= = 0,375
(1.13)
RTc
8
Possiamo verificare le relazioni su riportate accertando che il fattore di compressibilità critico, Zc , sia uguale a 3/8. Nella pratica comune il fattore Zc risulta
approssimabile a 0,3. Utilizzando queste correlazioni, otteniamo:
apr /27b2 =
8aTr
a
− 2 2
27b(3bVr − b) 9b Vr
8
(1.14)
Riordinando otteniamo:
pr =
3
8Tr
− 2
3Vr − 1 Vr
(1.15)
o, alternativamente,
{pr + (3/Vr2 )}{Vr − (1/3)} = (8/3)Tr
(1.16)
Le due espressioni hanno la medesima forma dell’equazione originaria, ma ne
sono scomparse le costanti a, b, il cui valore è diverso da gas a gas. Ne viene che,
diagrammando l’equazione in funzione delle variabili ridotte (come in effetti abbaimo
fatto ( In Figura 1.2 nella pagina precedente, pur senza richiamare l’attenzione sopra
di ciò), si dovrebbero ottenere le stesse isoterme per tutti i possibili gas. E’ proprio
questa l’esperienza del principio degli stati corrispondenti, per cui risulta evidente che
l’equazione di van der Waals è compatibile con esso. Il tentare di attribuire a questa
conclusione significati eccessivi sarebbe un errore, perchè anche altre equazioni si
accordano con il suddetto principio. Tutto ciò che occorre, infatti, è disporre di due
parametri che assolvano il medesimo ruolo di a e b, nel qual caso sarà sempre possibile
manipolare l’equazione in maniera da ricavarne una forma ridotta. L’osservazione
che i gas reali obbediscono alla legge in modo approssimato equivale, nè più nè
meno, a dire che un unico parametro può riflettere approssimativamente tanto le
interazioni attrattive quanto quelle repulsive. L’importanza del principio non risiede
tanto nell’interpretazione teorica quanto nella possibilità che offre di riportare le
proprietà di tutta una serie di gas sopra un unico diagramma (vale a dire la 1.2 nella
pagina precedente).
Il pregio fondamentale dell’equazione di van der Waals risiede nel suo carattere
analitico e nella possibilità ch’essa offre di trarre alcune conclusioni di ordine generale
in merito al comportamento dei gas reali. Occorre tuttavia una buona dose di cautela
e non dimenticare che in ogni caso si tratta di un’approssimazione, oltre tutto non
più che mediocre in diverse condizioni di impiego comune. Nel caso che la sua validità
venga meno (come ai regimi di alta pressione e di densità elevata) saremo costretti
ad applicare una delle altre equazioni di stato viriali.
9
1.2.6
Proprietà fisiche
In questo paragrafo passeremo in rassegna una serie di parametri da tenere in
considerazione nel momento in cui ci si approccia con i gas reali, e non con i gas
ideali.
Vediamo come effettuare il computo della pressione e temperatura critica per
una miscela gassosa. Il gas naturale è a tutti gli effetti una miscela gassosa, in
quanto è costituito da vari gas al suo interno.
Questa Tabella 1.1, in particolar modo, è stata realizzata a partire dai dati sulle
miscele binarie di metano con propano, etano e butano, i quali sono i principali
elementi dei gas naturali. Questa trattazione è del tutto soddisfacente per tutti i
calcoli di ingegneria che coinvolgono i gas naturali con piccole quantità di costituenti
di non idrocarburi fino a pressioni di circa 0,69 bar con un errore vicino all’ 1%. L’
utilizzo del fattore di compressione a gas composti da componenti singoli può essere
esteso a miscele gassose mediante l’utilizzo della temperatura critica e della pressione
critica alla miscela gassosa.
1
2
Componente Frazione
Molare
3
4
Temperatura Temperatura
Critica As- Critica Calsoluta
colata
°F
°F
5
6
Pressone
Critica
Assoluta
psia
Pressione
Critica
Calcolata
psia
2x3
2x5
CH4
0,8319
344,2
286,3
673
560
C2 H6
0,0848
550,3
46,7
710
60,2
C3 H8
0,0437
666,3
29,1
617
27,0
i − C4 H10
0,0076
735,6
5,59
520
4,02
n − C4 H10
0,0168
765,6
12,86
551
9,26
i − C5 H12
0,0057
829,0
4,73
483
2,75
n − C5 H12
0,0032
845,5
2,71
490
1,57
C6 H14
0,0063
914,1
5,76
440
2,77
393,75
667,57
Tabella 1.1: Calcolo della pressione e temperatura critica per un gas naturale
Possiamo notare come il Metano, primo elemento nella tabella, sia l’elemento
predominante in questo tipo di gas naturale, seguito poi dall’ Etano e dal Propano.
La temperatura critica Tc di questo gas naturale si ottiene sommando le temperature
critiche dei singoli gas. Nel nostro esempio la temperatura critica risulta essere Tc =
393,75 °F = 200,97 °C; allo stesso modo possiamo calcolare la pressione critica Pc ,
che risulta essere Pc = 667,57 psia = 46,03 bar.
10
A basse pressioni, differenti composti hanno fattore di compressione simile. La
fig. 1.3, riportata di seguito, mostra l’andamento del fattore di compressione a basse
pressioni ridotte, questi valori possono essere utilizzati con risultati soddisfacenti su
tutti i gas idrocarburici.
Figura 1.3: Fattore di Comprimibilità a bassa pressione.
11
Quando ci troviamo a pressioni prossime a quella atmosferica, possiamo utilizzare
in maniera affidabile questo grafico 1.4; attraverso l’ausilio di questo, possiamo
correggere il valore della densità del gas a bassa pressione.
Figura 1.4: Fattore di Comprimibilità per i gas a pressione atmosferica.
12
I gas naturali che contengono H2 S e/o CO2 , presentano un fattore di compressibilità differente dai gas naturali che non li contengono. Definiamo i gas naturali che
contengono H2 S e CO2 come Gas Acidi. Viene qui di seguito riportato un metodo
veloce per il calcolo del fattore di compressibilità nel momento in cui ci troviamo di
fronte a gas acidi. Definiamo fattore di correzione della temperatura critica,
il quale è funzione della concentrazione di H2 S e CO2 nei gas acidi. Questo fattore
di correzione è utilizzato sia per correggere la temperatura critica sia la pressione
critica, attraverso le equazioni:
Tc0 = Tc − (1.17)
Pc0 =
[Tc0
Pc XTc
+ B(1 − B)]
(1.18)
Dove:
• P’c è la pressione critica corretta per i gas acidi
• T’c è la temperatura critica corretta per i gas acidi
• è il fattore di correzione
• B frazione molare di H2 S in seno al gas.
Nella figura 1.5, di seguito riportata, abbiamo diagrammato il fattore di correzione
della temperatura critica in funzione delle percentuali di CO2 e H2 S.
Figura 1.5: Fattore di Correzione Temperatura Critica
13
Quando tra i dati a nostra disposizione abbiamo solamente il peso specifico del
gas (monocomponente o miscela), possiamo effettuare una stima della pressione e
temperatura critica attraverso il grafico di seguito riportato.
Figura 1.6: Stima della Pressione e Temperatura Critica a partire dal peso specifico del gas
Questa procedura la si può utilizzare fintantochè la percentuale di azoto all’interno
del gas naturale non sia superiore al 5%. Per le miscele di idrocarburi contenenti
significative percentuali di acqua, per i gas acidi, per tutte le miscele di liquidi e per
i fluidi saturi, bisogna utilizzare una procedura diversa per il computo del fattore di
comprimibilità Z, ovvero bisogna adoperare l’equazione di Pitzer.
14
Nella figura 1.7 è stata riportata la densità degli idrocarburi in funzione della
temperatura e del peso specifico.
Figura 1.7: Densità Idrocarburi
15
2
I gas di interesse pratico
2.1
Gas naturale: Metano
Il metano è un idrocarburo semplice (alcano)1 formato da un atomo di carbonio
e 4 di idrogeno, la sua formula chimica è CH4 , si trova in natura sotto forma
di gas. La molecola ha forma tetraedrica; l’atomo di carbonio è al centro di un
tetraedro regolare ai cui vertici si trovano gli atomi di idrogeno. Il metano è una
fonte energetica ecologica perché la sua combustione produce prevalentemente vapore
d’acqua e anidride carbonica (quest’ultima in misura inferiore al petrolio e al carbone).
Dalla combustione sono praticamente assenti prodotti solforosi e polveri, e solo ad
alte temperature possono svilupparsi ossidi di azoto, peraltro in quantità limitate. Il
metano è il principale componente del gas naturale, ed è un eccellente carburante
poiché produce il maggior quantitativo di calore per massa unitaria. Bruciando una
molecola di metano in presenza di ossigeno si forma una molecola di CO2 (anidride
carbonica), due molecole di H2 O (acqua) e si libera una quantità di calore:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2 O + 891(kJ/mol)
(2.1)
gli alcani sono composti organici costituiti solamente da carbonio ed idrogeno, e per questo essi
appartengono alla classe degli idrocarburi, aventi formula bruta: Cn H(2n + 2) . Gli alcani contengono
solo legami singoli C-C (per cui a parità di atomi di carbonio, possiedono il massimo numero di
idrogeni possibile rispetto agli altri idrocarburi), a differenza degli alcheni (che contengono legami
doppi C=C) e degli alchini (che contengono legami tripli). Gli alcani sono inoltre aciclici, cioè non
contengono catene chiuse ad anello. Gli alcani fanno parte delle paraffine, ovvero composti chimici
di scarsa reattività; gli alcani comunque reagiscono in determinate condizioni con ossigeno ed altre
sostanze. Negli alcani gli atomi di carbonio sono uniti tra loro attraverso legami covalenti semplici
a formare una catena aperta, lineare o ramificata, mentre gli idrogeni vanno a legarsi ognuno dei
siti di legame degli atomi di carbonio rimasti liberi. Ogni atomo di carbonio risulta al centro di un
tetraedro i cui vertici sono occupati dagli atomi chi esso è legato; tale geometria è quella tipica
degli orbitali ibridi sp3, con angoli di legame di 109,5° tra i legami. Le molecole degli alcani sono
apolari, per cui risultano insolubili in acqua e solubili in molti solventi organici. A temperatura e
pressione ambiente, gli alcani più leggeri (fino a 4 atomi di carbonio ) sono gassosi, all’aumentare
della massa molecolare relativa aumentano anche il punto di fusione e il punto di ebollizione. Gli
alcani ramificati presentano punti di ebollizione più bassi rispetto agli alcani lineari. Ciò è dovuto
al fatto che in un alcano ramificato le forze di Van der Waals sono meno forti, in quanto tra gli
atomi della catena intercorre una distanza lievemente maggiore. Gli alcani, soprattutto i più leggeri,
vengono largamente impiegati come carburanti per via dell’elevata entalpia di combustione per
unità di massa, della notevole inerzia chimica e dell’abbondante (ma non illimitata) disponibilità
sulla Terra.
1
16
2 – I gas di interesse pratico
Dalla combustione di un metro cubo standard di metano si ottengono circa 36 MJ
(8940 Kcal). Il metano è inodore, incolore ed insapore, quindi per essere distribuito
nelle reti domestiche deve essere odorizzato mediante un processo di lambimento di un
liquido dal caratteristico odore di gas - spesso si tratta del tetraidrotiofene (sostanza
organica ciclica contenente 4 atomi di C e uno di S, C4 H8 S). Questo procedimento si
rende indispensabile in modo da rendere avvertibile la presenza di gas nell’ambiente e
diminuirne la pericolosità. Il metano è un gas serra con un potenziale di riscaldamento
globale GWP di 23 (significa che il suo potere di riscaldamento è 23 volte quello
dell’anidride carbonica). Il metano è il risultato della decomposizione di alcune
sostanze organiche in assenza di ossigeno. È quindi classificato anche come biogas.
Le principali fonti di emissione di metano nell’atmosfera sono:
•
•
•
•
•
•
decomposizione di rifiuti solidi urbani nelle discariche
fonti naturali (paludi): 23%
estrazione da combustibili fossili: 20%
processo di digestione degli animali (bestiame): 17%
batteri delle risaie: 12%
riscaldamento o digestione anaerobica delle biomasse.
Dal 60% all’80% delle emissioni mondiali è di origine umana. Esse derivano principalmente da miniere di carbone, discariche, attività petrolifere, gasdotti e agricoltura.
Durante gli ultimi 200 anni, la concentrazione di questo gas nell’atmosfera è raddoppiata passando da 0,8 a 1,7 ppm (parti per milione). Il metano in Italia è reperibile
prevalentemente in giacimenti sotterranei.
Gli sforzi per ridurre le emissioni di metano possono portare a benefici economici,
ambientali ed energetici. Il metano è secondo solo al biossido di carbonio (CO2 )
come gas serra risultante dalle attività umane. Il metano è un gas serra di vita breve,
circa 12 anni in atmosfera. Inoltre è considerato un gas serra molto potente, perché
la sua capacità di trattenere il calore nell’atmosfera è 23 volte superiore a quella
del biossido di carbonio. Durante gli ultimi due secoli la concentrazione di metano
nell’atmosfera è più che duplicata. La concentrazione in atmosfera è determinata
dal bilancio tra il tasso in entrata e il tasso in uscita. Il tasso di metano in entrata
in atmosfera è cresciuto a causa delle attività umane; il tasso di metano rimosso è
determinata dall’efficacia dei sistemi che assorbono e neutralizzano i gas serra. I
principali meccanismi di assorbimento del metano sono l’ossidazione per reazione
chimica con gli ossidrili (OH) troposferici, l’ossidazione stratosferica, e l’assorbimento
microbico degli alberi e del terreno. La forza e l’efficacia di questi meccanismi
di assorbimento determinano il tempo di vita atmosferico del metano. Il metano
rappresenta circa il 16% delle emissioni globali di gas serra.
Ridurre le emissioni di metano presenta molti benefici da un punto di vista energetico, di sicurezza, economico ed ambientale. Per prima cosa, siccome il metano è un
potente gas serra ed ha una vita atmosferica breve, una riduzione delle emissioni
di metano può produrre risultati significativi a breve termine. Inoltre, il metano
è il componente principale del gas naturale. Quindi, il recupero ed utilizzo del
metano fornisce una fonte di energia pulita e preziosa, che migliora la qualità della
vita nelle comunità locali e può generare redditi e migliorare gli standard di vita.
La produzione di energia dal metano recuperato può inoltre evitare l’uso di fonti
energetiche con un più elevato tasso di emissioni, come legno, carbone e petrolio.
Questo può ridurre le emissioni degli utilizzatori finali e degli impianti termoelettrici
di CO2 ed altri inquinanti atmosferici come l’anidride solforosa (una delle cause
17
principali delle piogge acide), di polveri sottili (una preoccupazione per la salute
delle vie respiratorie), e di altri inquinanti pericolosi in traccia dell’aria. Catturare
il metano dalle miniere di carbone può infine migliorare le condizioni di sicurezza
all’interno delle stesse, riducendo il rischio di esplosioni. Molte delle opportunità
disponibili di riduzione delle emissioni di metano implicano il recupero e l’utilizzo
di questo come carburante per la generazione di energia elettrica, utilizzi in sito o
vendite fuori sito. Queste azioni rappresentano opportunità chiave per ridurre le
emissioni provenienti dalla gestione di rifiuti animali, dalle miniere di carbone, dalle
discariche, e dai sistemi petrolio-gas naturale. Specifiche tecnologie ed approcci di
attenuazione, tuttavia, variano a seconda della fonte delle emissioni a causa delle
differenti caratteristiche e processo di emissione. Sotto sono sintetizzate alcune delle
possibili opzioni di recupero ed utilizzo del metano per alcune delle fonti chiave di
emissione.
Il metano rilasciato dai sistemi di gestione del concime liquido può essere intercettato
ed utilizzato per soddisfare parte del fabbisogno energetico della fattoria, od essere
semplicemente bruciato. Il metano catturato può essere usato come fonte di energia
pulita per produrre energia elettrica, oppure come combustibile per apparecchiature
come motori, caldaie.
Per ridurre i rischi di esplosione, il metano è estratto dalle miniere sotterranee
prima dell’inizio del processo di estrazione, durante oppure dopo il processo. Invece
di rilasciare questo metano in atmosfera, può essere utilizzato opportunamente in
diversi modi. Tra questi vi sono l’iniezione in gasdotti, la produzione di energia, la
combustione in caldaie, il teleriscaldamento, l’essiccamento del carbone e l’utilizzo
come carburante per veicoli.
L’approccio principale alla riduzione delle emissioni di metano da discarica coinvolge
la raccolta e la combustione del gas. Le tecnologie di utilizzo del gas da discarica
sono incentrate sulla generazione di energia elettrica e sull’utilizzo diretto del gas.
La generazione di energia elettrica coinvolge il metano raccolto attraverso tubature e
motori alternativi o turbine a combustione, dove il metano può essere convertito in
energia elettrica. Le tecnologie di utilizzo diretto possono sfruttare il gas da discarica
come combustibile di medio potere calorifico, mentre altre tecnologie necessitano che
il gas sia migliorato e distribuito attraverso un gasdotto.
18
2.1.1
caratteristiche tecniche Metano
Riportiamo adesso in tabella 2.1 l’elenco delle caratteristiche principali del gas
naturale, il cui componente principale, come ribadito, è il metano.
PARAMETRO
VALORE MISURATO
formula
CH4
aspetto
gas
NOTE
odore
inodore
per usi civili và odorizzato
peso molecolare
16,043
U.M.A.
punto d’ebollizione
-161,5 °C
@ 1,013 bar
pressione di vapore
344,74 bar
@ 37,78 °C
punto di congelamento
-182,5 °C
@ 1,013 bar
pressione critica
46,04
bar
temperatura critica
-82,6
°C
densità critica
161,63
kg/m3
densità
0,71682
kg/m3 @ 0°C, 1,013bar
entalpia di fusione
1,1
kJ/mol-1
entalpia di ebollizione
8,17
kJ/mol-1
17,5 - 3,93
% Vol
0,9981
at 1,013 bar, 15,56 °C
-188
°C
575 − 640
°C
limite sup/inf infiammabilità
fattore di comprimibilità Z
flash point
temperatura di autoignizione
Tabella 2.1: Proprietà fisico chimiche fondamentali del gas naturale
19
2.2
Gas di Petrolio Liquefatto: GPL
Con il termine Gpl2 vengono indicati i gas condensabili che si ottengono dalla
distillazione di petrolio greggio, dal frazionamento dei gas naturali, (nel quale sono
spesso contenuti) e da lavorazioni di impianti petrolchimici. Il Gpl è una miscela di
idrocarburi, composta principalmente da Propano e da Butano e, come componenti
minori, iso-butano, propilene, l-butene. Le piccole quantità di zolfo sono variabili
secondo l’origine del prodotto: nel prodotto di estrazione da gas naturale sono praticamente nulle, mentre in quello da raffinazione dipendono dalla qualità del greggio e
dal grado di elaborazione dei processi diretti alla sua eliminazione. Il propano ed il
butano sono i principali componenti, ma in ogni paese sono usati differenti rapporti
di miscelazione che riflettono i prezzi, le strutture di produzione e le condizioni
climatiche dei mercati locali.
Il propano, la cui formula chimica è C3 H8 è la base per la formazione di diversi
prodotti chimici, ma soprattutto può essere liquefatto facilmente alle temperature
ordinarie; in tal modo si riesce a concentrare una grande quantità di energia in
un piccolo volume. Si consideri ad esempio una bombola per cannelli di taglio o
saldatura con all’interno del propano liquido: se si apre la valvola fuoriesce propano
gassoso, mentre all’interno della bombola il propano allo stato liquido evapora. Dopo
la chiusura della valvola si riforma l’equilibrio tra propano liquido e aeriforme, con
valori della pressione non molto distanti da quelli iniziali. A temperature ordinarie
risultano pressioni prossime a 10 bar. In questo modo, vista la notevole differenza
tra la densità del liquido e del gas, è possibile ottenere per ogni litro di propano
liquido circa 270 litri di vapore. Tutto ciò ha un prezzo: l’elevata pressione che deve
sopportare il recipiente, unita all’alta infiammabilità del propano, pongono problemi
di pericoli potenziali e di sicurezza.
Il Butano è il principale componente degli accendini e delle bombole da campeggio.
Il “gas liquefatto” commercializzato con questo nome non è in realtà la semplice
sostanza di cui abbiamo parlato la cui formula chimica è C4 H10 , ma una miscela
complessa composta da butano e isobutano, butene e isobutene, idrocarburi aventi
proprietà fisiche diverse. Per rendere liquido il butano alla temperatura ambiente
(20°C) è sufficiente sottoporlo ad una pressione di circa 3 bar, notevolmente inferiore
a quella del propano. Ne consegue il maggiore impiego del butano rispetto al propano
in quelle situazioni in cui non sono necessari grandi quantitativi di combustibile e si
impiegano serbatoi con pareti non particolarmente spesse. La mancanza di azioni
corrosive sui metalli, la sua non tossicità, il suo alto potere calorifico depongono
in favore del suo utilizzo come combustibile; d’altro canto nei mesi invernali non
sarebbe possibile utilizzare in maniera adeguata vapori di butano per la pressione
troppo bassa, tale da non garantire un flusso sufficiente agli impianti.
Per ovviare agli inconvenienti del propano (alta pressione di esercizio) e a quelli
del butano (opposti al precedente) i due idrocarburi vengono utilizzati miscelati. Il
cosiddetto gas di petrolio liquefatto (GPL) è composto per circa il 30% da propano
commerciale3 e per il 70% da butano commerciale4 . Tenendo presente che questi
valori non sono determinati per legge, che i diversi produttori utilizzano percentuali
2
Gas di Petrolio Liquefatto
3
Il propano commerciale è accompagnato da propilene, butilene, butano, etilene
è una miscela complessa di idrocarburi ottenuta dalla distillazione del petrolio: butano e
isobutano, contenuti nel grezzo; butene e isobutene che provengono dal cracking
4
20
leggermente diverse, che la dizione commerciale sottende a sua volta la composizione della sostanza come miscela di idrocarburi, si capisce che l’unica definizione
possibile per il GPL fissa solo valori limite per la pressione di esercizio e la densità
del combustibile ad una temperatura di riferimento, accennando al tempo stesso
alla composizione chimica. Secondo le indicazioni ministeriali5 , il GPL è un gas
liquefattibile a temperatura ambiente, avente tensione di vapore massima di 18 bar a
50°C e densità non inferiore a 440 kg al metro cubo a 50°C, costituito prevalentemente
da idrocarburi paraffinici e olefinici a tre e quattro atomi di carbonio.
In condizioni normali, per la combustione di 1 m3 di propano sono necessari all’incirca
24 m3 di aria, mentre il butano necessita di circa 30 m3 di aria. Per spiegare tali
valori basta sapere la percentuale di ossigeno in aria (21%) e bilanciare la reazione
chimica che per il propano è la seguente:
C3 H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2 O
(2.2)
Quindi una molecola di propano si combina con 5 molecole di ossigeno; poiché si
tratta di gas un’unità di volume di propano si combina con cinque unità di volume di
ossigeno. Un metro cubo di propano reagisce con 5 metri cubi di ossigeno. Il volume
di aria corrispondente sarà quasi cinque volte maggiore perché l’ossigeno è il 21%
dell’aria6 .
E’ facile ripetere il calcolo per il butano partendo dalla reazione bilanciata:
2C4 H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2 O
(2.3)
A pressione normale (101.325 pascal, 1,013 bar) il propano bolle a –42°C, mentre il
butano ha una temperatura di ebollizione di -0,5°C. Se si innalza la pressione anche
la temperatura di ebollizione aumenta e si ottiene un equilibrio liquido-vapore a
temperature più elevate. il butano commerciale a 0°C ha un valore della pressione
di 2 bar e il propano raggiunge 6 bar, mentre a 50°C il valore della pressione di
equilibrio del butano è 8 bar, quella del propano 20 bar. Considerando che il GPL
è una miscela di butano e propano commerciali si capisce come negli intervalli di
temperature ordinarie serbatoi come in figura 2.1 debbano sopportare pressioni di
esercizio dell’ordine di 10-14 bar.
Figura 2.1: Serbatoi Gpl
5
Decreto del Ministero dell’Interno 13 ottobre 94
6
Per ottenere il valore di 24 metri cubi, basta dividere 5/0,21
21
Nei recipienti a pressione che contengono il G.P.L. la fase liquida occupa la parte
inferiore del serbatoio, mentre nella parte superiore c’è la fase gas in equilibrio con le
condizioni di temperatura in cui si trovano. Un gas in presenza della sua fase liquida,
ad una determinata temperatura ha sempre la stessa pressione definita: tensione
di vapore7 . Se in un recipiente contenente gas liquefatto, apriamo un rubinetto
posto nella parte superiore, si estrae gas, la pressione diminuisce e la fase liquida
comincia ad evaporare per ristabilire l’equilibrio. Quando si chiude il rubinetto la
fase liquida continua ad evaporare fino a quando, nel volume occupato dal gas, si è
ripristinata la pressione che esisteva inizialmente, cioè la tensione di vapore di quel gas
a quella temperatura. Se due gas puri della stessa classe chimica vengono miscelati,
la tensione di vapore della miscela ottenuta sarà intermedia fra quelle dei due gas
puri e direttamente proporzionale alla percentuale dei due gas che compongono la
miscela. Nella figura 2.2 è riportata la variazione della tensione di vapore dei G.P.L.
con la temperatura.
Figura 2.2: Variazione della tensione di vapore GPL con la temperatura
Per passare dallo stato liquido allo stato gassoso i gas liquefatti, come tutte le
sostanze, hanno bisogno di una determinata quantità di calore chiamata calore latente
di vaporizzazione. Il suo valore varia in generale con la pressione e la temperatura.
L’influenza della pressione è meno importante delle variazioni di temperatura. In
generale diminuisce all’aumentare di quest’ultima.
E’ definita come la pressione alla quale coesistono, in un recipiente chiuso, fase liquida e fase
gas in equilibrio termodinamico
7
22
Nella figura 2.3 è riportata la variazione del calore latente in funzione della
temperatura per il propano, n-butano ed isobutano.
Figura 2.3: Variazione calore latente in funzione della temperatura
Quello calcolato alla temperatura normale di ebollizione è definito calore normale
latente di vaporizzazione. Il volume specifico di un gas liquefatto, ossia il volume
occupato da un chilogrammo di prodotto in fase liquida, varia enormemente con il
variare della temperatura. Infatti, incrementando o riducendo la temperatura, il
volume occupato dall’unità di peso aumenta o si riduce. Ad esempio un chilogrammo
di propano liquido, che alla temperatura di 15,5°C ha un volume di 1,96 litri portato
alla temperatura di 60°C, aumenta il suo volume a 2,31 litri con un incremento del
17,86%. il butano liquido sottoposto allo stesso incremento di temperatura ha una
variazione di volume da 1,71 a 1,88 litri, con una variazione del 10%. Nella figura 2.4
è rappresentata la variazione della densità della fase liquida con la temperatura.
Figura 2.4: Variazione densità fase liquida in funzione della temperatura
23
A causa dell’enorme dilatabilità dei gas liquefatti in relazione all’aumento di
temperatura, una porzione del volume del serbatoio deve essere destinato a contenere
l’incremento volumetrico della fase liquida. In media si calcolano aumenti di volume
del 10% per incrementi di temperatura di circa 30°C. L’entità di tale spazio è funzione
della capacità del serbatoio, della temperatura di stoccaggio e del volume specifico
del GPL. Il grado di riempimento dei serbatoi, e cioè la quantità massima di GPL
liquido che può essere immagazzinata è la seguente:
• 80% per i recipienti mobili (bombole, autobotti) e per i serbatoi fissi fuori terra;
• 85% per i serbatoi interrati perchè soggetti a escursioni termiche minori dei
precedenti.
La densità è il rapporto tra la massa della sostanza e il volume occupato ed è espressa
in Kg/litro, oppure in kg/m3 . Riportiamo in tabella 2.2 nella pagina successiva
alcuni valori caratteristici. Dunque il Gpl allo stato liquido ha una densità inferiore a
quella dell’acqua, mentre allo stato gassoso ha una densità superiore a quella dell’aria.
Questa caratteristica va considerata in quanto in caso di fuga delle tubazioni o
dei contenitori di GPL, le miscele gassose di propano e butano, in mancanza di
ventilazione, ristagnano vicino ai luoghi dove si è verificata la perdita con conseguenti
pericoli. Viceversa il metano, in spazi aperti, avendo una densità minore dell’aria si
può disperdere più facilmente. Da ciò deriva inoltre la ragione per cui i rivelatori di
gas in ambienti chiusi vengano posizionati in basso nel caso del GPL e in alto nel
caso di metano. Il notevole divario tra la densità della fase liquida e quella della fase
gassosa conferisce al Gpl delle caratteristiche peculiari nei processi di espansione che
interessano il passaggio di stato liquido-gas. Ciò siginifica che, passando dalla fase
liquida a quella gassosa, i gas liquefatti aumentano enormemente il loro volume. Ad
esempio il propano, come risulta dal calcolo seguente passa dalla fase liquida (508
kg/m3 ) a quella gassosa (1,86 kg/m3 ), aumenta di volume di circa 273 volte mentre
il butano di circa 238 volte.
VC3 H8,liq
= 273
(2.4)
VC3 H8,gas
VC4 H10,liq
= 238
VC4 H10,gas
(2.5)
Questa proprietà ci permette di immagazzinare in un serbatoio notevoli quantità di
prodotto e di energia chimica. Per ricavare la massa volumica dell’aria è sufficiente
misurare le masse di un recipiente pieno d’aria e quella dello stesso recipiente svuotato
dall’aria (ad esempio tramite una pompa). Si trova così che un contenitore capace di
trattenere un metro cubo d’aria ha una differenza delle masse pari a circa 1,27 kg. Il
rapporto massa volume dell’aria a pressione ordinaria è quindi 1,27 kg/m3 . In genere
non ci si rende conto che in una stanza vi sono decine di kilogrammi di aria perché il
valore di riferimento della densità nelle esperienze comuni è quello dell’acqua, pari
a 1000 kg/m3 . Ovviamente le densità vanno misurate secondo una temperatura di
riferimento, poiché il volume, specie dei gas, dipende fortemente dalla temperatura.
Nella tabella 2.2 nella pagina seguente sono riportati i valori delle densità del butano
e del propano gassosi con indicate la pressione e la temperatura di riferimento.
Come è chiaro il propano e il butano (e quindi il GPL) hanno una densità notevolmente
superiore a quella dell’aria.
Un’altra grandezza caratteristica dei combustibili gassosi, essenziale per la
sicurezza, è la tensione di vapore che ne determina la pressione nei serbatoi.
24
2.2.1
caratteristiche tecniche GPL
Riportiamo adesso in tabella 2.2 l’elenco delle caratteristiche principali del gpl.
PROPANO
BUTANO
percentuale miscela
30%
70%
formula
C3 H8
C4 H10
peso molecolare
44,097
30,070
UMA
temp. ebollizione
-41,67
-0,56
@ 1,013bar
temp. fusione
-187,6
-138.3
°C
temp. di congelamento
-187,22
-159,44
@ 1,013bar
pressione di vapore
13,10
4,96
6,8
@37,78°C
temp critica
96,67
151,67
136
°C
pressione critica
42,49
37,97
39
bar
densità
2,02
2,67
2,47
kg/m3 @0°C,1,013bar
calore latente normale
102,0
92,0
kcal/kg
densità liquido
508
584
kg/m3 @15,5°C,1,013bar
densita gas
1,86
2,45
kg/m3 @15,5°C,1,013bar
densita gas rel. aria
1,52
2
@15,5°C,1,013bar
densità liquido rel. H2 O
0,508
0,584
@15,5°C,1,013bar
9,5-2,37
8,41-1,86
% Vol
limite sup/inf infiammabilità
GPL
NOTE
Tabella 2.2: Proprietà fisico chimiche fondamentali del gpl
25
2.3
Il gas come combustibile
I combustibili fossili sono oggi giorno la principale fonte energetica sfruttata
dall’umanità, grazie ad alcune importanti caratteristiche che li contraddistinguono:
• sono compatti, ovvero hanno un alto rapporto energia/volume;
• sono facilmente trasportabili;
• sono facilmente immagazzinabili;
• costano relativamente poco.
In particolare quest’ ultima caratteristica ha indotto con il passare del tempo lo
sviluppo di tecnologie atte a sfruttare al meglio questi combustibili; ma come sappiamo
bene i combustibili hanno per contro importanti svantaggi:
• sono inquinanti, anche se con l’utilizzo di macchine moderne questo problema
si è notevolmente ridotto. Una forma di inquinamento è data dalla diffusione
in atmosfera di sostanze associate naturalmente a questi combustibili. Per
esempio la liberazione di anidride solforosa (SO2 ) responsabile del fenomeno
delle piogge acide.
• Il loro utilizzo determina un incremento della quantità di CO2 in atmosfera,
un gas non direttamente inquinante, ma oggi considerato come il maggiore
imputato del surriscaldamento globale. La quantità di CO2 emessa dipende dal
tipo di combustibile utilizzato, a parità di energia prodotta il carbone produce
una quantità quasi doppia di anidride carbonica rispetto al gas naturale.
• non sono risorse rinnovabili, dato che il processo di fossilizzazione della sostanza
organica è estremamente lungo e la quantità che oggi si fossilizza è trascurabile
rispetto ai fabbisogni energetici della società in cui viviamo.
Questo comporta un progressivo esaurimento dei giacimenti e quindi delle scorte
disponibili, a fronte di un progressivo e costante aumento della domanda di energia
(con conseguente aumento dei prezzi). L’aumento dei prezzi, la consapevolezza che
le scorte disponibili sono destinate ad esaurirsi ed una maggiore sensibilità verso
le tematiche ambientali, ha accentuato le politiche di diversificazione delle fonti
dei singoli paesi, favorendo lo sviluppo di sistemi di approvvigionamento energetico
alternativi ai combustibili fossili. Una delle strategie più promettenti per il controllo
delle emissioni atmosferiche che si originano per effetto della combustione di gas,
basilari per la produzione di calore, che generano inquinanti quali NOx , SOx , CO ed
idrocarburi composti, è rappresentato da combustibili a basso tenore di zolfo. La
combustione solitamente è alimentata da diverse tipologie di combustibile:
• olio combustibile: la famiglia degli oli combustibili comprende distillati
pesanti o residui della distillazione o di altre operazioni di raffineria, classificati
in base alla loro viscosità e al contenuto di zolfo. Il potere calorifico medio è
10000 kCal/kg, ovvero 41,8 MJ/kg;
• gasolio: derivato dalla distillazione primaria del petrolio greggio che contiene
diverse classi di idrocarburi come paraffine, aromatici e neftenici in proporzioni
che variano da gasolio a gasolio. La sua principale caratteristica è l’elevato
potere calorifico il cui valore medio 44 MJ/kg;
• gas naturale o metano: è una miscela gassosa, come visto al capitolo precedente, composta da idrocarburi, prevalentemente metano ed in minore quantità
etano, propano ed idrocarburi superiori. Nella miscela possono essere presenti
gas inerti quali l’azoto e l’anidride carbonica. Nella miscela può essere anche
presente lo zolfo come solfuro di idrogeno, uno dei principali contaminanti di
questa tipologia di combustibile che, però, viene rimosso prima dell’utilizzo. Il
26
potere calorifico medio del metano è di 13500 kCal/kg, ovvero 56,5 MJ/kg.
L’emissione di particolato risulta più elevata negli impianti che fanno uso di olio
combustibile seguiti da quelli che impiegano gasolio ed infine da quelli che utilizzano
il gas naturale (l’entità dell’emissione decresce al diminuire del peso specifico del
combustibile). Ovviamente, a seconda del combustibile impiegato, variano le emissioni
rilasciate dalla combustione. In riferimento specifico alle emissioni di ossidi di zolfo,
esse si generano esclusivamente a partire da combustibili che contengono tale elemento,
e, in funzione del contenuto specifico di zolfo nel combustibile, la concentrazione di
SOx emessa sarà più o meno elevata.
Il metano è un eccellente combustibile poiché produce il maggior quantitativo di
calore per massa unitaria. Le emissioni della combustione non contengono residui
carboniosi, benzene e polveri ultrasottili PM10, a differenza di benzine e gasolio,
in particolar modo è da sottolineare che non produce biossido di zolfo, altamente
inquinante. A parità di calore prodotto, il gas naturale sviluppa soltanto anidride
carbonica e ossidi di azoto, ma in misura molto inferiore al carbone e al petrolio e
con effetti nettamente meno dannosi sull’ambiente: in termini di CO2 :
• 25 % in meno rispetto alla benzina;
• 16 % in meno rispetto al Gpl;
• 30 % in meno rispetto al diesel;
• 70 % in meno rispetto al carbone;
in termini di ozono:
• 80 % in meno rispetto alla benzina;
• 50 % in meno rispetto al gasolio e al Gpl.
Possiamo quindi affermare che tra tutti i combustibili fossili, il metano è sicuramente
il più ecologico. Il numero d’ottan8 i superiore a 120, (molto più alto di quello
della benzina che è 95, e del GPL 108) è indice del fatto che può avere rapporti di
compressione molto elevati senza dover ricorrere all’uso d’antidetonanti, e, su motori
dedicati (studiati e concepiti per l’uso con questo carburante), il rendimento, in
termini di potenza e prestazioni, è superiore a quello della benzina. La combustione,
in camera di scoppio è completa e la resa termica è ottima, quindi non presenta
residui, riducendo di molto l’usura delle parti in movimento del motore: pistoni,
cilindri, bielle e alberi, allungando così di molto la vita media dei motori; inoltre
mantiene efficiente più a lungo l’olio motore e i filtri olio, allungando gli intervalli
tra una manutenzione e l’altra, con conseguente, ulteriore risparmio di denaro.
Il metano, per composizione chimica, è ricco d’idrogeno e non contiene benzene,
piombo, e composti di zolfo, è quindi rispettoso dell’ecosistema. Oltre agli aspetti
legati alla combustione, il ricorso a gas naturale in sostituzione a combustibili quali
olio combustibile e gasolio determina ulteriori vantaggi ambientali in quanto il
trattamento che ne rende possibile l’impiego consiste semplicemente in operazioni
di disidratazione e purificazione e non richiede alcuna trasformazione, come invece
accade nel caso dei derivati del petrolio che sono sottoposti a distillazione. Per le
considerazioni sopra scritte è noto che il gas naturale vanta un indiscusso vantaggio
ambientale rispetto alle altre fonti fossili ed è perciò destinato a svolgere un ruolo
fondamentale nella transizione verso un bilancio energetico maggiormente sostenibile.
Il nomero di Ottani è un indice della resistenza alla detonazione del combustibile, o ciò che è lo
stesso è l’indice della caratteristica antidetonante del combustibile
8
27
2.3.1
LNG - CNG
Le applicazioni tecniche mostrano la possibilità di trovare il gas naturale in forma
compressa ed in forma liquida:
Gas Naturale Compresso (CNG)
Viene utilizzato per autotrazione e distribuito a circa 220 bar in veicoli dotati di
apposite bombole. Inizialmente ebbe una notevole diffusione in Italia negli anni 30,
per sopperire alla mancanza di petrolio nazionale. Oggi viene promosso in tutto
il mondo come combustibile ecologico da utilizzarsi preferibilmente in aree urbane
particolarmente inquinate. Oltre all’Italia, sono da annoverare fra i paesi a più alta
concentrazione di veicoli a CNG l’Argentina e la Nuova Zelanda.
Figura 2.5: logo CNG
Gas naturale liquefatto (LNG)
Secondo l’I.M.O definiamo: gas liquefatto un liquido con una tensione di vapore che
eccede i 2,8 bar alla temperatura di 37,8°C. Il Gas Naturale Liquefatto, o LNG, altro
non che il gas naturale nella sua forma liquida; esso è costituito prevalentemente da
metano liquefatto per raffreddamento a -161°C, a pressione atmosferica, allo scopo di
renderlo idoneo al trasporto mediante apposite navi cisterna oppure allo stoccaggio.
Per essere utilizzato, il prodotto liquido deve essere poi riconvertito allo stato gassoso
in particolari impianti di rigassificazione e portato alla pressione di esercizio dei
gasdotti. In Italia, dove sono già in servizio un rigassificatore a Panigaglia, presso La
Spezia (3,5 Gmc) ed uno nell’offshore veneto (al largo di Rovigo, da 8 Gmc) hanno
concluso il loro iter autorizzativo i progetti relativi a Porto Empedocle, a Gioia Tauro
e all’off shore di Livorno. La densità del Gas Naturale Liquefatto è superiore di circa
600 volte a quella del gas naturale a pressione atmosferica e a temperatura ambiente.
In altri termini la tecnologia di liquefazione riduce il volume specifico del gas di circa
600 volte, consentendone a costi competitivi lo stoccaggio e il trasporto in appositi
serbatoi criogenici.
Figura 2.6: Densità gas naturale comparata al gas liquefatto
Per ottenere la liquefazione del metano, si ricorre a tre stadi successivi di raffreddamento, durante il quale, il gas naturale è raffreddato sotto il suo punto d’ebollizione
(da 2 → 1 ), utilizzando come liquidi refrigeranti idrocarburi sempre più volatili. Nel
28
primo stadio il raffreddamento è effettuato con propano (che bolle a -37 °C), il quale
è poi inviato a un turbocompressore che, dopo averlo liquefatto, lo rinvia in ciclo. In
questo stadio, dal gas naturale si separa per prima l’acqua, a 0 °C, e poi via via si
separano come condensati gli idrocarburi più pesanti. Il secondo stadio, simile al
primo, utilizza come mezzo refrigerante a -100 °C l’etilene. Infine nel terzo stadio si
raggiungono i -161 °C (temperatura di liquefazione del metano) utilizzando il metano
stesso come refrigerante.
Figura 2.7: Diagramma di stato Metano
Il processo inverso consiste invece nel comprimere LNG fino alla pressione finale
(P2 ), poi nel successivo riscaldamento, fino alla temperatura finale (T2 ), ad una
pressione costante P2 .
29
3
Motori
3.1
Il motore a combustione interna
Il motore a combustione interna (m.c.i.) ha origine intorno al 1850 con il prototipo
di Barsanti e Matteucci, vede la definizione del ciclo Beau de Rochas nel 1867 e
del ciclo Diesel nel 1893. Il m.c.i. è una macchina volumetrica alternativa, cioè
una macchina che durante il suo funzionamento ciclico elabora una determinata
quantità di volume di fluido che è successivamente espulso nell’ambiente e rimpiazzato
con una nuova carica. Il fluido di lavoro si espande e si comprime, e subisce una
combustione al suo interno: questo costituisce un primo vantaggio del m.c.i. rispetto
ad altri sistemi di produzione di energia, nei quali sono presenti due sorgenti termiche
esterne che scambiano calore con il fluido; nel m.c.i. l’energia necessaria per la
produzione di lavoro si sviluppa all’interno del fluido tramite la combustione; il calore
Q2 restituito all’ambiente viene scaricato nell’ambiente. Il vantaggio più evidente
rispetto, ad esempio, ad una macchina a vapore è quindi l’eliminazione della caldaia,
ovvero la compattezza. Uno svantaggio risulta invece nel fatto che, proprio perché la
combustione risulta interna al cilindro, il combustibile impiegato deve essere pregiato
onde evitare il veloce deterioramento delle parti meccaniche.
3.1.1
Classificazione
Esistono diversi criteri di classificazione dei m.c.i. Una prima classificazione
riguarda il tipo d’accensione:
• Motori ad accensione comandata (a.c., motori volg. “a scoppio”, a benzina, con
le candele)
• Motori ad accensione spontanea (a.s., motori Diesel, a gasolio, senza candele1 )
Una diversa classificazione riguarda il periodo del ciclo:
• Motore a 4 tempi (4T)
• Motore a 2 tempi (2T)
Nei motori ad a.c. le candele producono una scintilla tra due elettrodi che dà il via al processo
di combustione; in taluni motori Diesel (soprattutto di vecchia generazione od operanti in condizioni
ambientali rigide) sono presenti le cosiddette candelette, in sostanza delle resistenze elettriche che
hanno lo scopo di riscaldare –a motore freddo- la camera di combustione al primo avviamento.
Si pensi che nello storico diesel a testa calda si disponeva un fuoco di legna sotto la testata
all’avviamento!
1
30
3 – Motori
Nei motori 4T il ciclo di funzionamento (notoriamente: aspirazione, compressione,
combustione-espansione, scarico) avviene ogni due giri di manovella: in un quarto
del ciclo (fase d’espansione) si ha produzione di lavoro, mentre per tre quarti del
ciclo il motore funziona da pompa assorbendo lavoro passivo.
Nei motori 2T il ciclo di funzionamento avviene in un solo giro di manovella, consentendo in sede limite la produzione di una potenza doppia rispetto ad un analogo
motore 4T di pari cilindrata e livello tecnologico. In sede reale le peculiarità costruttive del 2T limitano però ampiamente questo vantaggio sul 4T2 , come vedremo
successivamente nello studio del motore a due tempi.
Un’ ulteriore classificazione riguarda l’alimentazione:
• Motori aspirati
• Motori sovralimentati
Nei motori aspirati l’aria è prelevata dall’ambiente a pressione atmosferica, perciò in
sede limite la massa d’aria aspirata nel cilindro sarà quella competente al volume del
cilindro a p=1 atm:
ma = ρ0 V
(3.1)
dove ρ0 è la densità dell’aria a pressione atmosferica.
In sede reale, a causa delle perdite fluidodinamiche nei condotti, la massa d’aria
effettivamente aspirata sarà una frazione di quella limite (vedi sopra), ed in particolare:
ma = ρ0 V λv
(3.2)
dove λv è il coefficiente di riempimento, un valore tipico per per motori ad accensione
comandata è 0.9 in condizioni di massima potenza.
Nei motori sovralimentati l’alimentazione avviene ad una pressione
p = Kpatm (k ∼ 1,8)
(3.3)
l’aria è aspirata e cioè compressa in modo da aumentare il coefficiente di riempimento
a valori superiori all’unità. Ciò comporta benefici sia a livello di potenza specifica
che in termini di rendimento termodinamico3 .
3.1.2
Campi d’applicazione
I m.c.i. hanno un vastissimo campo d’applicazione in virtù dell’estrema modularità dell’architettura costruttiva: possibilità di moltiplicare la potenza aumentando il numero di cilindri, adattabilità ai vincoli geometrici esterni, basso rapporto
peso/potenza, etc. Gli impieghi tipici sono dunque la trazione stradale leggera
(auto-motoveicoli), trazione ferroviaria, trazione stradale pesante (trasporto merci su
gomma), produzione stazionaria di potenza (ad es. gruppi elettrogeni da 1 KW a
Il tipico motore 2T per applicazioni motociclistiche e di piccola potenza , ha il problema del
lavaggio imperfetto, che, di fatto, riduce l’effettiva quota di miscela disponibile per la combustione
rispetto a quella idealmente pari alla cilindrata. Una soluzione industrializzata di recente utilizza
l’iniezione diretta nel 2T per motocicli. Ben diverso è invece l’utilizzo del 2T diesel, utilizzato nei
grandi motori lenti navali con elevato rendimento.
2
Ciò è vero in particolare nei diesel, ma nei motori a benzina, per evitare la detonazione, si è
costretti ad abbassare il rapporto di compressione. A fronte di una maggiore potenza specifica
si ha in genere un rendimento inferiore rispetto al motore aspirato di pari potenza e quindi un
consumo specifico più elevato. Recentemente questo difetto è stato corretto attraverso l’adozione
dell’iniezione diretta di benzina.
3
31
3 – Motori
20 MW), propulsione aeronautica, e nel nostro settore sono usati per propulsione
navale. Le caratteristiche che ne hanno determinato il grande successo sono la
compattezza, infatti il motore contiene al suo interno tutti gli organi necessari per il
suo funzionamento, e la semplicità di regolazione.
3.1.3
Organi fondamentali dei m.c.i
Il motore a combustione interna si compone di un cilindro, all’interno del quale
scorre un pistone in moto alterno. Il movimento alternativo del pistone fa variare
opportunamente il volume della camera di combustione. Il lavoro viene dunque
raccolto come forza per spostamento dal pistone che si muove di moto alternativo
e trasformato, mediante equipaggio mobile costituito da biella e manovella, in movimento per velocità angolare. L’ingresso e l’uscita del fluido è regolata da valvole
la cui apertura e chiusura è comandata da camme e molle (o oleodinamicamente
nelle versioni più attuali dei grandi diesel lenti). Nei motori più piccoli il cilindro fa
parte del blocco cilindri a sua volta parte del basamento che è l’elemento strutturale
fondamentale del motore che collega lo stesso con la parte fissa della struttura. Nei
motori di maggiore taglia i vari cilindri sono separati e opportunamente assemblati,
essi sono poi separati dal basamento.
Figura 3.1: Motore navale
Il cilindro è limitato superiormente dalla testata su cui sono sistemate le valvole,
la candela o l’iniettore. I gas che si formano nella reazione di combustione agiscono
sulla superficie S del pistone che si muove di moto alternativo all’interno del cilindro
fra il punto morto superiore e quello inferiore conservando lo stagno rispetto ai gas
stessi tramite fasce. Poichè il fluido non deve scavalcare il pistone tra quest’ultimo e
la camicia vi deve essere una tolleranza molto fine per cui, tranne che nei motori
di piccolo diametro, si preferisce ricorrere alle camicie e non far lavorare il cilindro
direttamente sul monoblocco. La catena cinematica costituita da pistone, spinotto,
biella e manovella (oppure pistone, asta stantuffo, testa a croce, biella e manovella)
trasforma il moto alternativo in moto rotatorio. Le manovelle sono posizionate
sull’albero a gomiti o albero motore. Il sistema di distribuzione provvede alla
apertura e chiusura delle valvole ai momenti opportuni. L’albero a gomiti comanda
l’albero a camme che a sua volta tramite punterie, aste e bilancieri comanda le
valvole che tornano in sede richiamate da apposite molle. Il problema principale di
32
3 – Motori
questo cinematismo è dato dalla presenza di forze d’inerzia dovute al moto alterno
dello stantuffo, del moto rotante della manovella e del moto misto della biella, che
rendono il sistema non equilibrato, e che su motori di grossa potenza prevedono
accorgimenti tecnologici atti a contrastare queste forze.
3.1.4
Parametri caratteristici
Detto R il raggio della manovella, la corsa del pistone c (c = 2R) viene completata
ogni 180° di rotazione dell’albero fra il punto morto superiore (PMS) ed il punto
morto inferiore (PMI). L’alesaggio è il diametro del pistone, la cilindrata Vc è il
volume spazzato dal pistone in una sua corsa completa. Il volume V0 che rimane tra la
testata del motore e il cielo del pistone, quando esso si trova al punto morto superiore,
si dice camera di combustione. Il rapporto tra il volume all’interno del cilindro in
corrispondenza del punto morto inferiore e quello presente in corrispondenza del
punto morto superiore si chiama rapporto di compressione e si indica con ρ. Il
rapporto di compressione è un parametro caratteristico dei motori, ne condiziona
fortemente il dimensionamento, ne determina la potenza per unità di cilindrata, il
rendimento ed i consumi.
• PMS punto morto superiore
• PMI punto morto inferiore
• R raggio di manovella
• C corsa
• l lunghezza di biella
• V0 camera di combustione
2
• S = πd4
• Vc = S c, Cilindrata
c
• Rapporto di compressione ρ = V0V+V
0
Figura 3.2: Parametri caratteristici
33
3 – Motori
3.1.5
I cicli teorici
Il secondo principio della termodinamica ci dice che in nessun motore nè ideale,
nè tantomeno reale, si può convertire in lavoro meccanico tutto quanto il calore in
esso introdotto, ma che una parte di esso deve sempre essere restituito sotto forma
di calore meno nobile. Da ciò dipede il concetto di rendimento come rapporto fra
quantità di calore trasformata in lavoro utile e la quantità di calore fornita al fluido
operatore. Il rendimento totale di trasformazione raggiunge valori medi del 30 35% (nei grandi diesel lenti navali anche del 45%). Grande importanza ha quindi
lo studio dei cicli. Tale studio non può essere condotto in modo rigoroso perchè ciò
richiederebbe che durante il ciclo operi:
• un gas ideale
• sempre la stessa quantità
In realtà nei motori alternativi a combustione interna la qualità del fluido cambia in
qualità da aria a miscela di aria e gas combusti e in quantità aggiungendosi una certa
massa di combustibile ogni carica di aria. Lo studio, quindi, dei cicli ideali resta
come strumento di indagine qualitativo. Uno strumento più realistico è lo studio del
diagramma inidcato in cui si riporta l’andamento della pressione esistente all’interno
del cilindro in funzione del volume o, ciò che è lo stesso, della corsa del pistone.
Figura 3.3: Diagramma indicato
Nel seguito consideriamo una quantità di riferimento m di fluido che opera fra un
volume minimo V0 e uno massimo V0 + Vc . Facciamo unoltre l’ipotesi di lavorare
con un fluido ideale avente cp costante e obbediente alla legge generale dei gas :
pV=nRT.
3.1.6
Ciclo Otto - motori ad accensione comandata
In questi motori la fase attiva è innescata dall’accensione comandata di una
miscela di combustivile vaporizzato. L’innesco è costituito dallo scoccare di una
scintilla. Bisogna evitare, invece, che si raggiungano condizioni di temperatura e
pressioni tali da determinare l’accensione spontanea. I motori di cui parliamo sono
motori a quattro tempi. Il ciclo teorico seguito da tali motori è il Ciclo Otto qui
riportato nei piano p-v e T-S.
34
3 – Motori
Figura 3.4: Ciclo Otto
In esso si distinguono le fasi di:
• 0-1 : aspirazione
• 1-2 : compressione adiabatica (o isoentropica)
• 2-3 : combustione isocora
• 3-4 : espansione adiabatica
• 4-1 : scarico spontaneo
• 1-0 : scarico forzato a pressione costante
Aspirazione: si parte dal punto morto superiore. Le valvole di aspirazione sono
aperte. Al punto 0 la pressione è quella atmosferica ed il volume pari a V0 . La fase
di aspirazione termina al punto 1 con V = V0 +Vc e p = patm . La trasformazione è
isobara.
Vmax = V0 + Vc = V1
(3.4)
Vmin = V0
(3.5)
Compressione: Nelle condizioni ideali è costituita da una trasformazione adiabatica
o isoentropica (senza scambio di calore verso l’esterno pvk =cost). Facciamo notare
che v rappresente un volume specifico:
• v = m3 /kg
• v = m3 /ciclo
• vm=V
• m = kg/ciclo
Dall’equazione dei gas perfetti si ha: p1 v1 k = p2 v2 k ; p1 v1 k mk = p2 v2 k mk ; con k =
cp /cv . Essendo la massa in gioco costante si ha: p1 V1 k =p2 V2 k e pertanto :
p1 V1k = p2 V2k → p2 = p1 (V1 /V2 )k = p1 [(V0 + Vc )/V0 ]k → p2 = p1 ρk
(3.6)
p2 risulta quindi dipendere dalla pressione p1 di aspirazione e dal rapporto di
compressione ρ. Questa è una corsa passiva, chiamiamo L1 il lavoro compiuto dallo
stantuffo.
Combustione Avviene a volume costante, è la fase attiva del motore, quella in cui
si introduce energia. Indichiamo con Q1 l’energia fornita sotto forma di calore.
Q1 = cv (T3 − T2 )
(3.7)
La combustione non è un fenomeno istantaneo, si può però pensare che duri un angolo
di manovella pari a 20° circa a cavallo del PMS, che comporta uno spostamento
assiale del pistone del tutto trascurabile.
Espansione: Anche questa trasformazione viene assimiliata ad una adiabatica. E’
una fase attiva, chiamiamo L2 il lavoro prodotto dal fluido attivo.
p3 V3k = p4 V4k
35
(3.8)
3 – Motori
Si nota che p4 > p1 il che indica che l’espansione arrivata al punto 4 non può essere
completata (espansione interrotta o incompleta).
Scarico: Questa fase viene simulata da una trasformazione a volume costante da
4 a 1 che ha inizio dal momento in cui vengono aperte le valvole di scarico, quindi
da una trasformazione a pressione costante da 1 a 0. In questa fase viene ceduto
all’esterno una certa quantità di calore Q2 :
Q2 = cv (T4 − T1 )
(3.9)
Le aree sottese alle curve di trasformazione sul diagramma rappresentano un lavoro.
Il calore Q1 è rappresentato dall’area sottesa alla curva 2-3, il calore Q2 da quella
sottesa alla curva 4-1. L’area 1-2-3-4 rappresenta il lavoro utile per ciclo [J/ciclo].
Passando al diagramma T-S il punto 1 rappresenta la fase di aspirazione (che avviene
a stato fisico costante) ed è individuato dalla intersezione della orizzontale all’altezza
della temperatura ambiente a cui viene aspirato il fluido, con l’isobara Patm . Lo stato
fisico delo scarico è anche’esso rappresentato da un punto, cioè dal punto 2. Essendo
1-2 una isoentropica, si ha:
T v k−1 = cost → T1 v1k−1 = T2 v2k−1
(3.10)
Ed essendo le variazioni di massa del fluido nelle fasi di aspirazione ed di scarico
ininfluenti sul piano termodimanico perchè avvengono a stato fisico costante:
T1 v1k−1 mk−1
= T2 v2k−1 mk−1
→ T1 V1k−1 = T2 V2k−1 → T2 = T1 ρk−1
1
2
(3.11)
Il rendimento termodinamico sarà dato da:
ηth =
T1 ( TT41 − 1)
Q1 − Q2
Q2
cv (T4 − T1 )
L
=
=1−
=1−
=1−
Q1
Q1
Q1
cv (T3 − T2 )
T2 ( TT32 − 1)
(3.12)
Essendo le 1-2 e 3-4 trasformazioni adiabatiche, si ha:
v1
T3
v4
T2
= ( )k−1 ;
= ( )k−1
T1
v2
T4
v3
(3.13)
E poichè v1 = v4 e v2 = v3 , si ha:
T2
T3
T4
T3
=
→
=
T1
T4
T1
T2
(3.14)
E dunque il rendimento termodinamico del ciclo Otto risulterà essere:
ηth = 1 − (
v2 k−1
1
)
= 1 − k−1
v1
ρ
(3.15)
Ove k è il rapporto dei valori dei calori specifici del gas che evolve e ρ il rapporto di
compressione.
3.1.7
Ciclo Diesel - motori ad accensione spontaneta
In questi motori la fase attiva è innescata dalla spontanea accensione del combustibile iniettato nel comburente ove trova condizioni di temperatura e pressione tali
da superare il punto di auto ignizione. Il ciclo teorico seguito da tali motori è il ciclo
Diesel di seguito riportato.
36
3 – Motori
Figura 3.5: Ciclo Diesel
In esso si distinguono le fasi di:
• 0-1 : aspirazione trasformazione isobara
• 1-2 : compressione trasformazione adiabatica (o isoentropica)
• 2-3 : combustione trasformazione isobara
• 3-4 : espansione trasformazione adiabatica
• 4-1 : scarico tasformazione isocora
• 1-0 : scarico trasformazione isobara
Durante la trasformazione 2-3 viene introdotto il calore Q1 a pressione costante, i
fluido sposta lo stantuffo e produce lavoro:
Z 3
L2−3 =
pdv = p3 v3 − p2 v2
(3.16)
2
Quindi l’equazione dell’energia diventa:
(3.17)
Q1 = (U3 − U2 ) + (p3 v3 − p2 v2 )
Ove U = energia interna del fluido. Poichè l’entalpia è data da: h= U + pv,
l’equazione diventa:
Q1 = h3 − h2 = cp (T3 − T2 )
(3.18)
mentre Q2 come visto prima sarà:
(3.19)
Q2 = cv (T4 − T1 )
Per cui il rendimento termico ideale del ciclo Diesel teorico vale:
Q1 − Q2
cp (T3 − T2 ) − cv (T4 − T1 )
1 T4 − T1
1 T1
ηth =
=1−
=1−
=
Q1
cp (T3 − T2 )
k T3 − T2
k T2
Per la 2-3 a pressione costante si ha: v3 /v2 = T3 /T2
Per le 1-2 e 3-4 adiabatiche si ha:
v2
v3
T1 = T2 ( )k−1 ; T4 = T3 ( )k−1 ;
v1
v4
da cui:
v k−1
T1
v2 k−1 T4
T3 ( v34 )
=( ) ;
=
T2
v1
T1
T2 ( vv21 )k−1
37
T4
T1
T3
T2
−1
−1
(3.20)
(3.21)
(3.22)
3 – Motori
e poichè: v4 =v1 , e T3 /T2 =v3 /v2 , si ha:
T4
v3 v3
v3
= ( )k−1 = ( )k
T1
v2 v2
v2
(3.23)
Sostituendo queste espressioni in quelle del rendimento termodinamico ideale si ha:
v k
1 v2 k−1 ( v23 ) − 1
ηth = 1 − ( )
v3
k v1
−1
v2
(3.24)
Ed essendo:
v1
v3
T3
= ρ, ponendo =
=b
(3.25)
v2
v2
T2
Anche in questo caso si nota che p4 >p1 , quindi il rendimentore termodinamico del
ciclo Diesel risulta essere:
1
bk − 1
η = 1 − k−1 [
]
(3.26)
ρ
k(b − 1)
Essendo il termine in parentesi quadra sempre maggiore di uno risulta che il rendimento teorico del ciclo Diesel, a parità di rapporto di compressione, è sempre minore
di quello del ciclo Otto. Anche in questo caso si nota che p4 >p1 .
3.1.8
Il ciclo Sabathè
Le condizioni reali di funzionamento dei motori Diesel fanno si che il ciclo seguito
sia un misto tra quello Otto e quello Diesel. In questo ciclo la combustione avviene
parte a volume costante e parte a pressione costante, dipendendo l’ampiezza dell’una
e dell’altra fase da caratteristiche del Diesel stesso.
Figura 3.6: Ciclo Sabathè
In questo ciclo la fase di combustione è divisa in due, una prima fase a volume
costante durante la quale viene introdotta la quantità di calore Q1 ’ e quindi una a
pressione costante durante la quale viene introdotta la quantità di calore Q1 ” . Si ha
poi una fase 4-5 di espansione adiabatica e una 5-1 a volume costante in cui viene
sottratto il calore Q2 . La quantità di calore introdotto vale allora:
0
00
Q1 = Q1 + Q1
Sappiamo che:
• Q1 ’ =cv (T3 -T2 )
38
(3.27)
3 – Motori
• Q1 ” =cp (T4 -T3 )
• Q2 =cv (T5 -T1 )
Per cui il rendimento termico ideale del ciclo Sabathè vale:
ηth =
cv (T3 − T2 ) + cp (T4 − T3 ) − cv (T5 − T1 )
=
cv (T3 − T2 ) + cp (T4 − T3 )
T5
−1
T5 − T1
T1
T1
=
=1−
(T3 − T2 ) + k(T4 − T3 )
T2 ( TT32 − 1) + k TT32 ( TT43 − 1)
(3.28)
(3.29)
Per la 2-3 (a volume costante) si ha: p3 /p2 =T3 /T2 Per la 3-4 (a pressione costante) si
ha: v4 /v3 =T4 /T3 Per le trasformazioni adiabatiche 1-2 e 4-5 si ha: T1 =T2 (v2 /v1 )k-1
e T5 =T4 (v4 /v5 )k-1 , da cui:
T1
v2
= ( )k−1
(3.30)
T2
v1
v k−1
T5
T4 ( v45 )
=
T1
T2 ( vv21 )k−1
(3.31)
e dal momento che v3 =v2 , e v5 =v1 , sarà anche: T3 /T2 =p3 /p2 e T4 /T3 =v4 /v3 avremo:
v4 p3 v4 k−1 p3 v4 k
T5
=
( )
= ( )
T1
v2 p2 v2
p2 v 2
(3.32)
sostituendo queste espressioni in quelle del rendimento termodinamico ideale si ha:
p 3 v4 k
( ) −1
v2 k−1
p 2 v2
ηth = 1 − ( )
p3
v1
( p2 − 1) + k pp32 ( vv42 − 1)
(3.33)
Indichiamo ora con a il rapporto tra p3 e p4 (rapporto di combustione a volume
costante) e ricordando che v1 /v2 =ρ e v4 /v3 =v4 /v2 = b si ha che il rendimento
termodinamico del ciclo Sabathè risulta essere:
η =1−
1
ρ
[
k−1
abk − 1
]
(a − 1) + ak(b − 1)
(3.34)
Questa espressione comprende naturalmente le altre due:
• a = 1 otteniamo il ciclo Diesel;
• a = b = 1 otteniamo il ciclo Ottto.
3.1.9
Sistema d’alimentazione
Nei motori ad accensione comandata il combustibile può essere iniettato attraverso
diversi sistemi:
• Carburatore: la miscela aria-benzina si forma nel carburatore dove una strozzatura, in corrispondenza della quale si determina un’opportuna depressione,
determina l’iniezione del carburante da un apposito foro calibrato nella vena
fluida dell’aria. Le fasi d’iniezione dipendono esclusivamente dalla ciclica depressione generata dall’apertura delle valvole d’aspirazione. La strozzatura
introduce una perdita di carico nel condotto d’aspirazione. La taratura del
carburatore è fissa (la portata del carburante è dosata da getti calibrati), ciò
determina condizioni di funzionamento ottimali solo per determinati carichi,
39
3 – Motori
regimi, temperature e quote altimetriche d’utilizzo, al di fuori delle quali il
rendimento diminuisce e le emissioni inquinanti aumentano.
Figura 3.7: Carburatore
• Iniezione indiretta: il carburante s’inietta ad istanti definiti da una centralina elettronica (o da un sistema meccanico) nella collettore di aspirazione a
monte della camera di combustione. In questo modo è possibile variare continuamente il rapporto stechiometrico aria/carburante ed è possibile ottenere
una migliore polverizzazione del getto di carburante rispetto ad un carburatore.
Analogamente al carburatore, la corretta turbolenza della miscela nella camera
di combustione dipende esclusivamente dal disegno del condotto, delle valvole,
della testa e dello stantuffo.
Figura 3.8: Iniezione indiretta
• Iniezione diretta: in questo caso il carburante è direttamente iniettato nella
camera di combustione all’istante prestabilito, in maniera totalmente svincolata
dall’ammissione dell’aria. In questo modo, oltre ai vantaggi dell’iniezione
indiretta, è possibile anche determinare condizioni di turbolenza nella camera
di combustione particolarmente favorevoli, con conseguenti benefici in termini
di rendimento termodinamico e riduzione delle emissioni inquinanti.
Figura 3.9: Iniezione diretta
40
3 – Motori
3.2
Motorizzazioni presenti sul mercato
Oggi esistono sul mercato vari tipi di motorizzazioni, le principali attualmente
presenti sul mercato protodde dalle maggiori case costruttrici quali WARTSILA,
MAN e ROLLS ROYCE sono indirizzate su tre tecnologie principali:
• Gas-Diesel: il funzionamento di questi motori avviene attraverso una miscelazione di gasolio e gas, in percentuale variabile. Il ciclo di riferimento in questi
casi è quello Diesel con l’immissione del gas ad alta pressione.
Figura 3.10: Motore Gas-Diesel
• Dual-Fuel: questi motori possono funzionare solo a gasolio (diesel mode), con
l’iniezione di gasolio pilota e gasolio principale, oppure a gas (gas mode), in
questo caso il funzionamento avviene con l’iniezione di piccole percentuali di
gasolio pilota atte a funzionare da candela all’interno della camera di combustione per il gas. Lo switch tra le due modalità di avviene per esigenze diverse,
quali carico al motore, procedure operative, reperibilità di gas. L’immissione
del gas avviene a bassa pressione.
Figura 3.11: Motore Dual-Fuel
• Ignition Gas: L’unico combustibile adottato è il gas, la combustione della
miscela di gas ed aria avviene con ciclo di riferimento Otto, innescata da una
scintilla. L’immissione del gas avviene a bassa pressione.
Figura 3.12: Motore Spark Ignited
41
3 – Motori
3.3
Motori Gas Diesel
Questi motori sono molto versatili in quanto possono funzionare con un vasto
campo di percentuale di gas addotto al motore. Il ciclo di riferimento è quello Diesel
(accensione spontanea) in tutte le modalità, che viene eseguito con una miscela di
gas e gasolio senza che vi siano cadute di potenza.
Figura 3.13: Motore Gas Diesel
Il gas viene iniettato ad alta pressione dopo il combustibile pilota e viene acceso
dalla detonazione del combustibile pilota. La quantità di combustibile pilota è 5%
dell’ alimentazione a pieno carico. Il funzionamento a gas può essere commutato
istantaneamente al solo funzionamento a gasolio. Possiamo usare sia MDO che HFO.
In modalità sharing (miscela gas e gasolio) il rapporto tra la quantità di carburante
liquido e gas può essere variata costantemente. La finsestra di funzionamento per
la modalità sharing va dal 30% al 100% del carico. Questi motori possono tollerare
grandi variazioni della qualità del gas e soprattutto sono in grado di bruciare i gas
meno nobili provenienti dai giacimenti petroliferi.
Figura 3.14: Fuel sharing
Il sistema di ripartizione del combustibile permette al motore di funzionare
con una miscela gas / combustibile liquido secondo diverse proporzioni al fine di
ottimizzare il funzionamento dell’impianto. Un tipico funzionamento è quello 30% gas
e 70% gasolio. L’operatore può regolare comodamente questa miscela. Logicamente
questi motori possono funzionare sia in condivisione (gas-gasolio), che solo a gasolio.
42
3 – Motori
3.4
Motori Full Gas
Figura 3.15: Motore Full Gas
La fornitura del gas arriva a questi motori attraverso due condotti di differente
diamentro. Nel più grande passa il gas che giunge alle valvole di iniezione poste
sui collettori di aspirazione dei cilindri; nel più piccolo passa sempre il gas ma che
alimenta un iniettore posto sul cielo della precamera di combustione.
Figura 3.16: Funzionamento motore Full Gas
Nella pre camera di combustione il gas immesso nella valvola viene detonato
a mezzo di una candela che innesca la scintilla. La detonazione così avvenuta si
dirama a tutto il resto della miscela. Dalla figura 3.16, possiamo notare come la
valvola di immissione del gas sul collettore di aspirazione sia del tipo a solenoide,
con chiusura a molla, mentre la valvola in testa alla precamera di combustione sia
43
3 – Motori
azionata meccanicamente dall’albero a camme come si evince meglio nella figura
seguente:
Figura 3.17: Valvola gas della pre-camera combustione azionata dall’albero a camme
Questi motori fuzionano secondo un ciclo di riferimento Otto, quindi ad accensione
comandata della miscela aria gas. Funzionano solamente a gas e non presentano
decadimento della potenza se il gas introdotto ha un MN>70; inoltre il gas immesso
nel motore è a bassa pressione e presentano basse emissioni di NOx . I principali
paramentri che regolano la formazione di NOx sono:
• temperatura di picco;
• tempo di permanenza della miscela in camera di combustione.
La temperatura viene ridotta utilizzando una miscela che veda un rapporto aria fuel
minore, questo diminuisce le emissioni di NOx . Poichè notoriamente questi motori
presentano un rapporto aria/combustibile elevato che può provocare alti valori
di NOx , si limita ciò premiscelando il combustibile in precamera di combustione
e all’introduzione di carica fresca nei cilindri. Le temperature massime quindi
si riducono notevolmente con una forte riduzione di emissione di NOx , e il calore
rilasciato dalla combustione viene utilizzato per estrarre una quantità di aria maggiore
dal cilindro, quindi per migliorarne il lavaggio.
Figura 3.18: Funzionamento motore Full Gas
44
3 – Motori
I processi in ogni cilindro vengono comandati elettronicamente così come l’azionamento delle valvole a gas a monte dei collettori viene regolato dall’unità centrale che
in questo modo regola l’afflusso del gas sul collettore di aspirazione del motore; inoltre
poichè le valvole del gas sul collettore di aspirazione del cilindro sono indipendenti dal
cinematismo della valvola di carico del cilindro, i cilindri possono esser lavati senza
che vi sia fuoriuscita di gas nello scarico del motore. Prima che il gas giunga al motore
questo passa attraverso una valvola atta a regolare e monitorare la pressione. La
precamera deve avere dimensioni quanto più piccole possibili per ridurre gli NOx , ma
grande al punto tale da consentire una opportuna e affidabile combustione. Quindi
si analizzano i seguenti parametri:
• forma della camera;
• dimensione;
• velocità del gas e turbolenza;
• raffreddamento pre-camera;
• materiali.
Per correggere il rapporto di aria/combustibile questi motori presentano valvole
poste sullo scarico atte a monitorare questo rapporto e a regolarlo in funzione delle
condizioni di carico del motore.
45
4
Motore diesel a 4 tempi dual fuel
I motori Dual Fuel nascono dall’esigenza di ridurre le emissioni inquinanti nell’ambiente, attraverso l’ausilio del metano, che come visto nei capitoli precedenti è
il gas naturale più ecologico. Oggi giorno sono molti i produttori di motori marini
che si stanno indirizzando verso questo fronte, in prima linea possiamo annoverare
Warstila, Rolls-Royce e Man.
4.1
Principio di funzionamento
I motori Dual Fuel sfruttano in prima analisi l’evaporazione naturale del gas:
BOG1 . I BOG dovranno essere bruciati nei motori diesel che pertanto saranno del
tipo dual fuel in grado cioè di funzionare sia con i BOG miscelati all’MDO2 che con
solo gasolio.
Va immediatamente precisato che, quando i motori a quattro tempi bruciano i
BOG miscelati al gasolio, essi non funzionano secondo il ciclo Diesel ma secondo il
ciclo Otto dei motori ad accensione comandata per cui non è necessario comprimere
i BOG ad alte pressioni; è sufficiente portare i BOG ad una pressione di soli 4-5 bar,
il che consente di utilizzare i collaudati impianti di compressione adoperati sino ad
oggi. Il principio di funzionamento dei motori dual fuel, in Gas Mode, illustrato in
figura 4.1, è praticamente il seguente:
Figura 4.1: Fasi motore 4T DF in Gas Model
1
Boil Off Gas
2
Marine Diesel Oi
46
4 – Motore diesel a 4 tempi dual fuel
durante la fase di aspirazione il cilindro viene riempito con una miscela di aria e
vapori di metano che vengono iniettati nel collettore di aspirazione, a monte della
valvola di aspirazione, ad una pressione di 4-5 bar e mescolati con l’aria. Verso la
fine della fase di compressione ha inizio la combustione che viene innescata, non già
da una candela, ma da una piccola quantità pilota di gasolio, iniettata direttamente
nella camera di combustione attraverso un piccolo diffusore praticato sull’iniettore,
come illustrato in figura 4.2
Figura 4.2: Iniettore di un motore a quattro tempi dual fuel
Tale modesta quantità di gasolio, autoaccendendosi, dà l’avvio alla combusione
del metano. Per evitare indesiderati fenomeni di detonazione, facilitati peraltro
dall’elevato valore del raporto volumetrico di compressione del motore, la miscela
deve essere finemente calibrata, tale da non generare nè fenomeni di esplosione
violenta, nè mancate accensioni (misfiring) vedi figura 4.3, per cui è indispensabile
operare con continuità un controllo preciso del valore rapporto di miscela e della
quantità di gasolio pilota, controllo che può dare risultati soddisfacenti solo se operato
elettronicamente ed utilizzando opportune valvole solenoide per dosare la giusta
quantità e del gasolio pilota e dei BOG.
Figura 4.3: Campo dei valori del rapporto di miscela che consentono il funzionamento
regolare di un motore a quattro tempi dual fuel
In assenza dei BOG il motore può funzionare, questa volta secondo il ciclo
diesel (Diesel Mode), utilizzando esclusivamente l’ MDO (LFO o HFO) e pertanto
l’iniettore affacciato nella camera di combustibile è munito di un secondo diffusore
attraverso il quale si inietta, alla pressione di 900 bar, la necessaria quantità di
MDO, di gran lunga maggiore di quella pilota. La quantità di gasolio occorrente
per l’iniezione pilota, che costituisce appena l’1% del totale a carico nominale,
continua ad essere immessa nel cilindro in modo da non avere irregolaità quando,
dal funzionamento con MDO, si passa al funzionamento in gas mode.
Si osserva infine che è possibile disporre, se lo si ritiene conveniente, di una quantità
47
di BOG superiore a quella che si rende disponibile per effetto della vaporizzazione
spontane del metano liquido, realizzando una vaporizzazone forzata e controllata
dello stesso in modo da far navigare l’imbarcazione solo con i BOG, a parte la piccola
quantità di MDO occorrente per l’iniezione pilota. E’ evidente che tale operazione
è senz’altro conveniente quando il costo del MDO supera il prezzo di vendita del
metano liquido, e per ridurre le emissioni ambientali.
4.2
Schema di funzionamento
I motori DF presentano sempre due condotti di adduzione del combustibile al
motore: uno grande, ed uno piccolo. Come mostrato in figura 4.4
Figura 4.4: Condotti di adduzione combustibile motore Dual Fuel
Nel condotto di sezione maggiore passa la miscela di Gas e aria (Gas operation
Mode), nel condotto più piccolo invece passa sempre il gasolio pilota. Il doppio
sistema di alimentazione fa si che lo switch tra i due fluidi avvenga in due momenti
differenti:
• da Diesel Mode → Gad Mode, il motore è nella fase permanente, ed il carico
richiesto rimarrà costante;
• da Gas Mode → Diesel Mode, il motore è nella fase transitoria di carico, come
avviene nell’ingresso in porto o in seguito ad una anomalia.
L’esperienza indica che il passaggio viene effettuato intorno a valori di carico
prossimi al 15%.
Figura 4.5: Finestra switch Gas/Diesel Mode
Vediamo adesso il funzionamento indicativo dell’impianto al seguito di un motore
Dual Fuel dal momento in cui comincia il rifornimento LNG fino alla condizione
48
di normale funzionamento. Questo tipo di installazioni vede l’utilizzo di serbatoi
IMO type C3 . Quando termina LNG all’interno della cassa bisogna effettuare il
rifornimento, che avviene aprendo la linea di rifornimento alla bunkering station.
Figura 4.6: Processo di Bunkeraggio
Nel momento in cui la cassa risulta piena di LNG, bisogna chiudere la linea
di rifornimento ed effettuare la manovra di incremento della pressione che avviene
aprendo il circuito PBU (Pressure Build Up). Inizia così un processo iterativo che
vede un flusso di vapore portarsi alla sommità del serbatoio sospinto dalla pressione
idrostatica dell’LNG che forza il liquido alla PBU. Rientrando il fluido sotto forma
di vapore nella parte alta del serbatoio si incrementa la pressione all’interno dello
stesso.
Figura 4.7: Incremento della Pressione nella tank
Non appena la pressione all’interno del serbatoio si assesta intorno ai 5 bar può
cominciare il processo di adduzione del gas al motore.
Tipo C sono dei serbatoi indicati anche come recipienti in pressione in cui la pressione di vapore
di progetto, P0 , non deve essere superiore al valore ricavato con le formule fornite dall’ICG code
3
49
Figura 4.8: Funzionamento normale
Quindi viene chiusa la valvola che ha consentito l’incremento di pressione ed
aperta la valvola principale STOP & MASTER. In seguito alla apertura della stessa
LNG sarà sospinto dalla pressione interna alla tank all’interno dell’evaporatore in cui
passa di fase, da liquido ad aeriforme. Il processo segue poi all’interno della GVU.
I gas a questo punto giungono in questo compartimento costituito da una serie di
valvole (Gas Valve Unit) atte ad una serie di funzioni:
• Regolano la pressione di adduzione del gas al motore in funzione del carico
stesso del motore;
• la GVU è sede di una serie di valvole di sicurezza e di filtri;
Normalmente abbiamo una GVU per ogni motore Dual Fuel presente a bordo, queste
sono zone ventilate, e poste tra la tank room e la engine room, a non più di 10 m da
quest’ultima.
Figura 4.9: Gas Valve Unit
50
4.3
Elementi dell’impianto
Verranno adesso passati in rassegna una serie di elementi caratteristici dell’impianto Dual Fuel.
Pompa gasolio pilota
Figura 4.10: Pompa fluido pilota
Lo scopo di questa pompa è quella di alimentare il circuito del gasolio pilota. E’
una pompa costituita da pistoni radiali, filtro del gasolio, valvole di sicurezza ed un
sistema di controllo. Questa riceve dal sistema di controllo generale dell’impianto,
il segnale di Start/Stop e di pressione. Il gasolio pilota spinto da questa pompa
giunge al rail del common rail, caratterizzato da piping a doppia parete, che eroga il
combustibile per ciascuna valvola di iniezione e agisce come un regolatore di pressione
contro eventuali anomalie.
Piping gas
Figura 4.11: Piping Gas
Abbiamo un piping a doppia parete con due condotte coassiali, quella interna per
il gas, mentre quella esterna (corona anulare) serve per la ventilazione, come verrà
dopo spiegato. La tubazione interna continua poi con i condotti di alimentazione ai
cilindri, con annesso filtro e valvola. Analizziamo adesso una sezione con vista della
testata di un cilindro.
51
Testata cilindro
Figura 4.12: Testata cilindro
Notiamo i seguenti elementi costitutivi:
• Collettore del gas;
• Filtro del gas;
• Valvola del gas;
• Ugello del gas;
• Collettore dell’aria;
• Valvola di aspirazione;
• Iniettore a doppio diffusore;
• Condotto gasolio pilota;
• Condotto gasolio principale;
• Pompa iniezione gasolio principale;
• Piping iniezione gasolio principale;
• Piping gasolio pilota.
52
Valvola gas
Figura 4.13: Valvola gas
Lo scopo di queste ultime è quello di effettuare un controllo sull’immissione di
gas su ogni cilindro. Sono valvole a solenoide azionate direttamente dal sistema di
controllo elettronico del motore. Sono dotate di un doppio filtro, uno principale di
5µm ed uno di sicurezza di 90 µm.
Iniettore
Figura 4.14: Iniettore
L’iniettore di un motore DF ha una sua particolarita, esso è costituito da due
polverizzatori a differenza dei tradizionali iniettori che presentano un solo poverizzatore. Di questi due, uno è dedicato al gasolio pilota, quello più piccolino, ed uno
è dedicato al gasolio principale, quello di diametro maggiore. Il polverizzatore del
gasolio pilota può funzionare anche con biodiesel salvo prima opportune modifiche ai
filtri dell’impianto.
53
4.4
Sistemi di sicurezza
Analizziamo adesso quali sono i sistemi di sicurezza per questi impianti. L’obiettivo fondamentale è la prevenzione dalla formazione di atmosfere esplosive. In presenza
di fuge di gas dobbiamo fare in modo da tenerci lontano dalla zona di autoignizione
della miscela gas/aria, che nel caso del metano é caratterizzata dai seguenti valori
• Limite inferiore infiammabilità 5%;
• Limite superiore infiammabilità 15%.
Figura 4.15: Limiti di infiammabilità del metano
Il primo passo contro la formazione di atmosfere esplosive è quello di ventilare gli
ambienti per prevenire gli accumuli di gas. Secondo i registri la ventilazione deve
avvenire per 30 minuti l’ora.
Il secondo passo è l’utilizzo di una doppia barriera tra il gas e l’ambiente esterno.
Lo spazio tra la prima e la seconda barriera è definita come una zona a rischio di
esplosione, mentre lo spazio al di fuori della seconda barriera è definito come area
sicura. Per realizzare queste doppie barriere, abbiamo due possibilità:
• realizzando piping a doppia parete;
• utilizzando piping normale ma installato in un compartimento separato.
Nello spazio compreso tra la prima e la seconda barriera dobbiamo:
• monitorare i gas e realizzare degli sfiati;
• negli spazi a tenuta, questi vanno controllati utilizzando gas inerte in pressione.
Vediamo adesso come funziona un tipico sistema di controllo fiamme all’interno
della sala macchina
Figura 4.16: zone pericolose attorno al motore
54
Dallo schema a 4.16 nella pagina precedente si evince come ci sia la necessita di
installare apparati atti ad interrompere eventuali fronti di fiamma che potrebbero
propagarsi all’interno del collettore di aspirazione e di scarico; infatti se una fiamma
dovesse propagarsi nel collettore di aspirazione, o di scarico, immediatamente questa
verrebbe interrotta dal sistema di sicurezza costituito da barriere tagliafuoco realizzate
con nastri metallici zigrinati.
Il carter dei grossi motori navali da sempre è una zona ad altro rischio esplosione, data
l’elevata concentrazione di vapori dovuti ad olii lubrificanti, vapori di combustione,
polveri, attriti, etc. Per evitare che una probabile espolosione provochi ingenti danni
alle strutture del motore e della nave, è bene che vi si prendano alcune misure
preventive. La normativa ATEX EC 94/9/EC e la stessa IMO forniscono varie linee
guida per scongiurare esposioni all’interno del motore
Figura 4.17: Sistema di controllo carter
In figura 4.17 vediamo un semplice schema che mostra la sistemazione di due
barriere tagliafuoco e di una valvola di esplosione. Si vede come il carter vada
ventilato con condotti di sfiato le cui estremità terminano sul ponte, lontano da fonti
esplosive; lo stesso condotto di ventilazione va equipaggiato all’esterno con barriere
tagliafuoco e non deve ostacolare l’ascesa dei vapori. In figura si nota poi la presenza
di una valvola seguita poi da un sistema tagliafuoco. Questi sistemi oggi noti come
Valvole di esplosione di cui riportiamo alcune foto:
Figura 4.18: Sezione valvola di esplosione
55
Figura 4.19: dinamica valvola di esplosione
hanno il compito di creare una via preferenziale per una evenuale esplosione nel
carter, riducendo e creando uno sfogo dell’onda d’urto. Sono inoltre in grado di avere
una risposta molto veloce all’espolsione, di arrestare il fronte di fiamma e di poter
essere utilizzate più volte. Ulteriori aerazioni al carter non sono necessarie, durante
il funzionamento in Diesel mode la ventilazione del carter è proibita dalle stesse
regole di classificazione. Durante le fasi di manutenzione il carter deve esser dotato
di sistemi di riconoscimento dei gas e di inertizzazione, se richiesto dalle società di
classificazione si possono installare sensori di gas nei stessi condotti di ventilazione.
Il collettore del gas è isolato dal collettori dell’aria da valvole elettroniche come
visto in figura 4.12 a pagina 52, e come riproposto schematicamente qui di seguito.
Figura 4.20: Sistema di controllo
Il gas arriva al motore attraverso il suo piping che poi si dirama su ogni singolo
cilindro attraverso le valvole di adduzione gas. Queste valvole sono controllate
individualmente dal sistema di controllo elettronico che attraverso regolazioni del gas
stesso fa variare la pontenza e la velocità in ogni cilindro. Le valvole di ammissione
gas fanno passare solo gas e sono attuate da solenoidi e chiuse da molle. Tutti i
motori DF montano il piping del gas a doppia parete sopra la testata dei cilindri; è a
doppia parete anche la sezione attorno le valvole di ammissione. La corona circolare
del piping è costantemente ventilata, ed i flussi aspirati vengono analizzati da un
sensore posto tra la sala macchine e la GVU. Lo stesso flusso di ventilazione viene
regolato da sensori di pressione posti lungo le condotte. I condotti del gas sono
realizzati per trattenere una esplosione interna senza che questi si rompano. Sono
costruiti con materiali duttili con pressioni nominali di progetto iposte dai registri
come segue:
• 40 bar per il piping;
• 25 bar per le valvole;
• 10 bar per i compensatori;
56
Poichè nel piping di adduzione gas al motore la pressione è di circa 5 bar, la massima
esplosione che si può avere dal metano provoca una pressione istantanea di 36 bar,
ampiamente tollerabile dalla condotta. Non è richiesto l’ausilo di barriere contro le
fiamme nel piping del gas perchè qui non è presente una miscela omogenea di gas
infiammabile.
La GVU (Gas Valve Unit) ha il compito di regolare la pressione del gas addotto
al motore, e riveste un importante ruolo nella sicurezza dell’impianto; secondo IMO
IGC queste devono essere in numero di una per ogni motore e ad una distanza
massima dal motore di 10m. La GVU è definita dai registri navali come zona 1 (zona
in cui è presente una atmosfera esplosiva solamente durante le normali operazioni
di funzionamento), pertanto và creata una circolazione forzata atta a scongiurare il
ristagno dei gas. Per questo scopo si utilizza la corona circolare del doppio piping del
gas, e attraverso una ventola di estrazione viene aspirata l’ara dalla sala macchine e
convogliata nella sala della GVU. Questo processo fa si che si eviti il ristagno dei
gas nella GVU e che si possano analizzare questi flussi di aria per scongiurare che ci
siano tracce di gas presenti. Nel caso in cui il sensore di gas, posto in prossimità della
ventola di aspirazione o in prossimità del motore, riveli la presenza di gas nell’aria
immediatamente viene chiusa la valvola principale di adduzione gas al motore, ed il
funzionamento del motore funziona secondo due modalità:
• funzionamento a solo gasolio;
• arresto del motore.
Figura 4.21: Ventilazione GVU
Inoltre la GVU ha il compito di:
• Controllare se vi siano fuge di gas prima che questo venga inviato al motore;
• Controllo della pressione di alimentazione del gas al motore;
• Alla fine della fase Gas Mode, la GVU chiude la valvola primaria del gas e
inertizza le condotte;
• Chiude la valvola primaria del gas in caso di emergenza;
• Inertizza e depressurizza le condotte in caso di manutenzione;
• La GVU è controllata a sua volta dal sistema di controllo centrale.
57
5
The Protocol of MARPOL Annex VI
Le regole generali che disciplinano i traffici marittimi sono elaborate dall’ IMO
(International Maritime Organization), che regola tutti gli aspetti della navigazione,
dal trasporto, alla sicurezza in mare.
A livello globale sono in vigore numerose convenzioni internazionali, sviluppate ed
approvate all’interno dell’ IMO, che fissano, regolano e controllano i traffici marittimi
e tutte le relative attività. Fondamentale per quel che riguarda la prevenzione
dell’inquinamento in mare è la convenzione MARPOL 73/78 (Maritime Pollution)
sulla prevenzione dell’inquinamento provocato da navi, essa è composta da 6 allegati:
• allegato 1: Norme per la prevenzione dell’inquinamento da oli minerali;
• allegato 2: Norme per la prevenzione dell’inquinamento da sostanze liquide
nocive trasportate alla rinfusa;
• allegato 3: Norme per la prevenzione dell’inquinamento da sostanze inquinanti;
• allegato 4: Norme per la prevenzione dell’inquinamento da liquami scaricati
dalle navi;
• allegato 5: Norme per la prevenzione dall’inquinamento da rifiuti solidi scaricati
dalle navi;
• allegato 6: Norme per la prevenzione dall’inquinamento atmosferico prodotto
dagli scarichi dei motori marini.
Oltre a queste norme, gli allegati stabiliscono l’esistenza di zone speciali, cioè zone
nelle quali per le loro caratteristiche (scarsa circolazione, mari chiusi, ecc.) si
richiede l’adozione di metodi obbligatori per prevenire l’inquinamento: particolari
aree definitie SECA (SOx Emission Control Area) in cui vengono applicati dei
limiti per le emissioni di solfati nell’atmosfera, e quindi per i contenuti di zolfo dei
combustibili impiegati, più severi rispetto ai limiti applicati globalmente.
Figura 5.1: Inquinanti.
58
5 – The Protocol of MARPOL Annex VI
Rientrano nella SECA: Mar Baltico, Mare del Nord, Canale della Manica, mentre
per il Canada, la California ed il Mediterraneo, la pratica di riconoscimento zona
SECA è in corso di valutazione.
Figura 5.2: Emission Control Area
L’allegato al quale faremo riferimento in questa trattazione è il VI, in vigore dal 19
maggio 2005. Il presente contiene una serie di norme che si applicano retroattivamente
ai nuovi motori superiori ai 130 Kw installati su navi costruite a partire dal 1 gennaio
2000. In attesa della ratifica dell’allegato VI i costruttori di motori marini stanno
pertanto costruendo motori conformi alle suddette norme.
5.1
Emissioni NOx
Sappiamo che l’aria è costituita per il 99% di Azoto (N) ed Ossigeno (O), in
particolare 78% N e 21% O. Sappiamo inoltre che durante la combustione l’ossigeno
va a CO2 , mentre l’azoto esce quasi inalterato ed una piccola parte di esso si ossida
formando NO e NO2 in quantità tanto maggiore quanto più elevato è il rapporto
di compressione del motore e quanto più è elevato il contatto tra azoto e ossigeno
nel motore. Per questo motivo i grandi diesel navali producono ossidi di azoto im
misura maggiore rispetto ai più piccoli diesel terrestri.
Figura 5.3: Produzione NOx in funzine pressione ed eccesso aria
I limiti delle emissioni NOx sono fissati per i motori diesel a seconda della velocità
di funzionamento del motore al massimo (n, g/min), come mostrato nella tabella 5.4
nella pagina seguente estratto dall’allegato VI Marpol:
59
Figura 5.4: Limite NOx
e presentati graficamente in figura 5.5. Tier I, Tier II e Tier III sono i vari step
che impongono l’adeguamento delle emissioni entro date prestabilite:
• Tier I nuove costruzioni 1 gennaio 2000;
• Tier II nuove costruzioni 1 gennaio 2011;
• Tier III nuove costruzioni 1 gennaio 2016; Per rientrare nello step Tier II bisogna
applicare modifiche volte all’ottimizzazione del processo di combustione, mentre
per rientrare nello step Tier III bisogna utilizzare tecnologie dedicate al controllo
delle emissioni dell’NOx , come ad esempio le varie forme di induzione acqua nel
processo di combustione (con carburante, lavaggio aria, o in cilindri), ricircolo
dei gas di scarico, o di riduzione catalitica selettiva.
Figura 5.5: Limiti emissioni NOx
In conformità con quanto asserito dalla Marpol queste regolamentazioni vanno
applicate:
– ogni motore diesel con una potenza superiore a 130 kW installato su una
nave, costruite dopo il 1 gennaio 2000;
– ogni motore diesel con una potenza superiore a 130 kW che subisce una
trasformazione rilevante a partire dal 1 gennaio 2000.
Non vanno invece applicate a:
• i motori diesel di emergenza, i motori installati nelle imbarcazioni di salvataggio e qualsiasi dispositivo e le apparecchiature destinate ad essere utilizzato
esclusivamente in caso di emergenza;
• su una nave che subisce una trasformazione rilevante, prima della data di
entrata in vigore del presente protocollo, a condizione che la nave è impegnata
60
unicamente in viaggi verso porti o terminali offshore all’interno dello Stato di
bandiera della nave.
Le emissioni dei motori sono testati in base ai cicli di riferimento che la Marpol
fissa in E2, E3, D2, C1 utilizzati appunto per la verifica di conformità delle emissioni
NOx dei motori diesel marini.
5.2
Lo zolfo nei combustibili
L’ allegato VI della Marpol include anche norme circa il tenore di zolfo ammissibile
nell’olio combustibile, come misura delle emissioni di SOx e, indirettamente, le
emissioni di PM (non ci sono i limiti espliciti di emissione PM). I limiti di zolfo e le
date di attuazione sono riportate in seguito:
Figura 5.6: Limiti di zolfo e date di attuazione
Il regolamento 14 dell’allegato VI Marpol stabilisce come limite globale da adottarsi entro il 2000, massimo il 4,5% per quanto concerne il contenuto di zolfo relativo
all’olio combustibile pesante. Inoltre afferma che, per le navi che si trovino all’interno
di un’area di controllo delle emissioni SECA, deve essere soddisfatta almeno una
delle seguenti condizioni:
• Il tenore di zolfo contenuto nel combustibile in un’area SECA non deve superare
l’1,5% in massa;
• Un sistema di lavaggio dei gas combusti, che sia approvato dall’amministrazione
tenendo in considerazione le linee guida definite dall’IMO, deve essere utilizzato
per la riduzione delle emissioni totali di ossidi di zolfo dalle navi, includendo sia
il motore principale sia gli ausiliari d ibordo, fino ad un valore di 6 g SOx /kWh
o inferiore calcolato come peso compessivo delle emissioni di biossido di zolfo.
I flussi di scarico derivanti dall’utilizzo di questi sistemi non devono essere
scaricati in porti chiusi, baie o estuari a meno che non sia documentato che
tali reflui non hanno alcun impatto negativo sugli ecosistemi di tali ambienti.
La valutazione sull’impatto degli scarichi è tuttora argomento di discussione
dei comitati scientifici dell’IMO.
• E’ applicato un qualsiasi altro metodo tecnologico, verificabile sciendtificamente,
che riduca le emissioni di SOx a livelli equivalenti a 6 g SOx /kwh.
In base a quanto deciso durante l’ultimo incontro IMO MEPC (Marine Environmental
Protection Commitee) 58, per gli SOx sono previste nei prossimi anni ulteriori
riduzioni al contenuto di zolfo ammissibile per i combustibili marini.
In particolare si osserveranno le seguenti disposizioni:
Globalmente
• 3,5% a partire dal 1 Gennaio 2012
61
Nelle Aree SECA
• 1,00% a partire dal 1 Luglio 2010
Dunque l’utilizzo dell’HFO sarà consentito a condizione che rispetti il limite applicabile di zolfo.
Figura 5.7: Limiti di zolfo nel carburante - Marpol VI
5.3
Sostanza lesive dell’ozono
L’allegato VI vieta le emissioni deliberate di sostanze che riducono l’ozono, che
comprendono gli halon e clorofluorocarburi (CFC). Le nuove installazioni emettano
sostanze lesive dell’ozono sono vietate su tutte le navi, mentre le nuove installazioni
contenendi idro-clorofluorocarburi (HCFC) sono consentite fino al 1 Gennaio 2020.
L’allegato VI vieta altresì l’incenerimento di sostanze a bordo delle navi di alcuni
prodotti, come i materiali di imballaggio contaminanti. L’allegato stabilisce poi
che le navi debbano esser soggette ad ispezioni periodiche alla fine delle quali viene
rilasciato un certificato che attesta la prevenzione dall’inquinazione dell’imbarcazione,
e tale certificato ha validità 5 anni. Devono esser istallati a bordo impianti di
lavaggio dei gas di scarico (Scrubbers). Devono esser monitorati i VOC (Volatile
Organic Compounds) liberate in atmosfera soprattutto dalle navi cisterna e adozione
di pratiche operative che possono ridurne il rilascio; interdizione dell’inquinamento
atmosferico e del fallout di PM (Particolato) nei porti durante lo stazionamento a
motori accesi. In attinenza a tali argomenti, il RINA ha stabilito una nuova notazione
di classe chiamata “Green Plus” per il rispetto dell’ambiente. Suddetta notazione
addizionale viene assegnata alle navi progettate con sistemi, componenti e procedure
atti a controllare e prevenire le emissioni di sostanze inquinanti nel mare ed in aria.
62
6
Registri
6.1
ABS Propulsion and auxiliary system for gas
fueled ship
Negli ultimi anni, i motori di media velocità Dual Fuel hanno motorizzato un
gran numero di nuove navi, in sostituzione delle vecchie tecnologie esistenti. Tutto
questo è andato a favore dell’efficienza e della riduzione degli spazi dedicati alla
sala motori. L’attuazione di norme sempre più severe per la salvaguardia del nostro
ambiente, emanate principalmente dall’IMO Allegato VI, insieme al costo contenuto
del gas naturale in sostituzione dell’olio combustibile vedrà sempre di più nascere
imbarcazioni propulse da motori DF. La guida: Propulsion and auxiliary system
for gas fueled ship emanata da ABS (American Bureau of Shipping) si pone come
fine ultimo quello di fornire delle linee guida per la progettazione e la costruzione di
motori primari e ausiliari propulsi a gas naturale, in conformità con IMO CIG (IMO
International Gas Code) ed IMO IGF, nel pieno rispetto della sicurezza. Questa
guida ha come contenuti:
• Disposizioni nave e progettazione dei sistemi;
• Stoccaggio gas combustibile;
• Sistemi di rifornimento;
• Sistemi di alimentazione del gas combustibile;
• Unità di liquefazione;
• Unità di combustione gas;
• Motori Dual Fuel e Motori a gas;
• Turbine a gas;
• Normativa per il mantenimento di classe.
Il registro pone subito alcune definizioni in materia di sicurezza, definendo 3 classi
di zone rischiose:
• Zona 0 zona in cui è continuativamente presente un un’atmosfera esplosiva;
• Zona 1 zona in cui è occasionalmente presente un un’ atmosfera esplosiva;
• Zona 2 zona in cui non è presente un’ atmosfera esplosiva.
Il gas naturale (secco) è definito come gas non condensato a pressione e temperature
operative comuni dove la componente predominante è metano con parti di etano
e piccole quantità di idrocarburi più pesanti (principalmente propano e butano).
La composizione del gas può variare a seconda della fonte di gas naturale e del
trattamento subito dal gas. Composizione tipica in % volume:
• Metano 94%
• Etano 4,7%
63
6 – Registri
• Propano 0,8%
• Butano 0,2%
• Azoto 0,3%
Il gas naturale può esser stoccato sia come CNG che come LNG.
Si passano adesso in rassegna i principali luoghi dove i serbatoi di gas possono
esser sistemati su ponti aperti:
• I serbatoi contenenti CNG o LNG possono sempre esser sistemati sul ponte;
• I serbatoi del gas devono esser sistemati ad almeno B/5 dal fianco della nave,
per navi non da passeggeri, queste vanno sistemate ad una distanza compresa
tra B/5 e non meno di 800 mm dal fianco della nave.
• I serbatoi del gas vanno sistemati in posti dove sia presente una sufficiente
ventilazione naturale, per prevenire gli accumuli dei possibili gas fuoriusciti.
• I serbatoi di stoccaggio LNG con una connessione al di sotto del livello del
liquido, devono essere dotati di vaschette sotto le connessioni di capacità tale da
da contenere il volume liquido che potrebbe fuoriuscire in caso di una perdita
dal tubo di connessione. Il materiale di tali vaschette deve essere di acciaio
inossidabile isolato dalle strutture dello scafo o del ponte che potrebbero venire
a contatto con il liquido a temperature molto basse in esso contenute. I serbatoi
devono essere collocati a non meno di 3 m dagli ingressi, dalle prese d’aria, o
dalle aperture dei locali di alloggio e servizi, locali da carico, sale macchine e
stazioni di comando.
• I serbatoi di stoccaggio dei gas situati sopra il ponte aperto devono essere
isolati da paratie di classe A-60 verso i locali alloggio, locali di servizio, sale
macchine, o stazioni di comando.
Figura 6.1: Sistemazione serbatoi gas su ponti aperti
• Per serbatoi con V ≤ 1000 m3 , d=0.8m
• Per serbatoi con 1000 m3 ≤ V ≤ 5000m3 , d=(0,75+V x 0,20/4)m
• Per serbatoi con 5000 m3 ≤ V ≤ 30000m3 , d=(0,8+V/25,000)m
Si passano adesso in rassegna i principali luoghi dove i serbatoi di gas possono
esser sistemati in spazi chiusi:
• Il gas si può stoccare in spazzi chiusi solo se ha una pressione di lavoro massima
di 10 bar;
64
6 – Registri
• I serbatoi di CNG che hanno una pressione superiore ai 10 bar devono rispettare
le seguenti norme:
– devono essere forniti di mezzi adeguati per la depressurizzare del serbatoio
in caso di incendio;
– tutte le superfici all’interno di tali spazi chiusi devono essere dotati di
isolamento termico come protezione contro eventuali perdite di gas, a
meno che le paratie del locale resistano ad una temperatura più bassa di
quella alla quale si trova il gas;
– sia presente un impianto di estinzione installato in tali spazi racchiusi;
– devono essere presenti mezzi che garantiscano l’integrità strutturale dello
scafo seguita dalla rottura di una serbatoio.
• I serbatoi devono esser posizionati il più possibile vicino al piano diametrale
della nave e:
– devono trovarsi ad una distanza minima tra B/5 e 11,5 m dal fianco della
nave;
– devono trovarsi ad una distanza minima tra B/15 e 2 m dal fondo della
nave;
– I serbatoi per le navi diverse da quelle passeggeri possono esser sistemati
a meno di B/5 dal lato della nave purchè siano validi i seguenti criteri:
∗ Il minimo tra B/15 e 2 m dal fondo e,
∗ non deve mai essere:
1. Per serbatoi con V ≤ 1000 m3 , d=0.8m
2. Per serbatoi con 1000 m3 ≤ V ≤ 5000m3 , d=(0,75+V x 0,20/4)m
3. Per serbatoi con 5000 m3 ≤ V ≤ 30000m3 , d=(0,8+V/25,000)m
Dove V corrisponde al 100% del volume del serbatoio a 20°C, e d
è la misura ad ogni sezione lato dritto dalla linea di costruzione
fuori ossatura
Figura 6.2: Sistemazione serbatoi gas in ambienti chiusi
Il registro impone poi:
• l’installazione di sistemi di ventilazione in grado di cambiare l’aria almeno per
30 minuti l’ora;
• l’installazione in spazi chiusi o semichiusi di sensori di fughe di gas, così come
in pompe e compressori;
• l’utilizzo di piping a doppia parete e di ventilazione della stessa nel settore
circolare esterno;
65
6 – Registri
• il piping deve essere in grado di sopportare un picco di pressione dato dalla
formula:
k
2 k−1
p∗ = p0 (
)
(6.1)
k+1
dove:
– p0 = massima pressione di lavoro del piping
– k = Cp /Cv rapporto tra calore specifico a pressione costante e calore
specifico a volume costante
– K = 1.31 per il Metano CH4
Il registro prevede ancora che i motori alimentati a gas siano in grado di lavorare
con gas di qualità differenti. Il registro propone poi una sezione dedicata al rischio
espolsione sostenendo che tutti gli apparati devono essere a prova di esplosione e che
una possibile esplosione non deve in nessun modo compromettere il funzionamento
del motore portandolo all’arresto. Infine i condotti di ventilazione del carter devono
essere indipendenti da altri condotti e devono sfiatare in luoghi sicuri, ed anche i
collettori di scarico dei motori dual fuel non devono esser interconnessi con i collettori
di altri motori presenti a bordo.
6.2
RINa Gas Fuelled Ships pt C, Ch 1, App 7
Il Registro Italiano Navale dedica alle navi propulse con gas naturale liquefatto
la parte C, capitolo 1 appendice 7. Le norme contenute in questa appendice si vanno
ad aggiungere a quelle già presenti nel registro. La disposizione dei locali dedicati
allo stoccaggio, alla distribuzione e l’uso del gas devono essere tali che il numero e
l’estensione delle zone pericolose siano ridotte al minimo. Le sale in cui alloggiano i
serbatoi del gas devono essere isolate da porte a tenuta a gas e non devono trovarsi
in prossimità dell’apparato motore. La distanza minima richiesta tra sala macchina
e le tank rooms deve essere non minore di 900 mm e queste devono essere isolate da
paratie di classe A-60.
Il registro comincia poi la disamina dei rischi connessi al piping del gas, pertanto
stabilisce che questo non si debba mai trovare a meno di 760 mm dal fianco della
nave, e non debba attraversare altri locali macchine. Inoltre il registro ammette
l’utilizzo di sistemi alternativi al piping a doppia parete solamente nei seguenti casi:
• è scongiurato qualsiasi danno meccanico;
• il piping non ha perdite;
• i locali siano equipaggiati da sensori di allarme contro fughe di gas.
Il piping del gas va colorato con un colore diverso dalle altre condotte, così come
previsto dalla norma EN ISO 14726:2008 Il RINa continua poi definendo la formula
da utilizzare per il calcolo della pressione critica, così come abbiamo visto nell’ABS
al paragrafo precedente, e delle distanze da mantenere dal fondo della nave e dal
fianco della nave per sistemare le gas tank con l’unica differenza che invece di fissare
il valore limite di 800 mm per il posizionamento della tank dal fianco della nave, lo
fissa in 760 mm. La sezione n°3 di quest’appendice impone che i locali tank siano
isolati con paratie di classe A-60 dai locali alloggio e servizi, e che vi siano sistemi di
identificazione fuge di gas e di fumo negli stessi. Si passa poi alla sezione dedicata
ai motori. Secondo il RINa ogni componente deve esser progettato in maniera tale
da escludere un’esplosione in ogni situazione, ed ammesso che avvenga, il motore
deve esseere in grado di continuare il funzionamento senza arrestarsi. Il motore deve
continuare nel suo funzionamento anche quando avviene l’esplosione della miscela
66
6 – Registri
incombusta all’interno del sistema di scarico e l’esplosione dei vapori all’interno
del carter. Il registro prevede a tal proposito che vengano installati all’interno dei
collettori di scarico dei gas combusti barriere contro le fiamme in prossimità di ogni
cilindro, e che siano presenti sistemi sui condotti e sul carter che favoriscano lo sfiato
conseguente una esplosione, e ancora vi devono essere sensori di temperatura per
motori il cui carter ecceda i 0.6 m3 e i cilindri eccedano i 200 mm, capaci di allarmare
il sistema e spegnere il motore in caso di temperature eccessive. Come già ribadito
dall’ ABS, gli sfoghi d’aria del carter vanno localizzati in luoghi sicuri ed utilizzati
sistemi in grado di inertizzare le condotte. Per i motori DF il registro raccomanda
che l’avviamento e l’arresto del motore avvenga esclusivamente a gasolio, e nel caso di
arresto durante il funzionamento a gas, lo stesso deve essere in grado di continuare a
funzionare esclusivamente a gasolio. Se la combustione non viene rilevata dal sistema
di controllo le valvole di ammissione gas sul collettore di aspirazione aria devono
essere immediatamente chiuse ed i gas incombusti scaricati attraverso le valvole di
scarico.
67
7
Conclusioni
Questa tecnologia presenta esssenzialmente due punti di forza:
• riduzione degli inquinanti;
• risparmio del carburante.
I registri presentano, allo stato attuale delle cose, solo normative applicabili ai motori
di media e grossa potenza.
Volendo estendere quanto visto sino ad ora ai motori di piccola potenza e quindi al
naviglio di piccole dimensioni sorgono molte criticità non ancora chiarite dai registri.
• Posizionamento delle tank
Gli enti di classificazione impongono che i serbatoi di LNG entrocoperta vengano
posizionati il più possibile nella mezzeria della nave, e che mai debbano trovarsi
ad una distanza inferiore a 760mm (secondo il RINa) e 800mm (secondo
l’ABS) dal fianco e dal fondo stesso della nave. Sicuramente queste sono
norme conservative per la sicurezza, ma si capisce bene come, nell’ottica di
una installazione a bordo di piccole imbarcazioni, questo possa diventare un
problema logistico di gestione degli spazi di non poco conto.
• GVU
I registri prevedono che vi sia un locale dedicato alle valvole di adduzione gas
al motore, ovvero la Gas Valve Unit, locale posizionato a non più di 10m dal
motore e la cui sistemazione può anche qui non essere agevole nell’ottica di
una installazione su piccole imbarcazioni.
• Piping
Dai registri non si evince bene come queste condotte vadano posizionate, se
possano attraversare o meno altri locali e se debbano rispettare le distanze
minime di 760/800mm dal fianco della nave.
• Norme riguardanti i motori
I registri dedicano ampie sezioni ai protocolli di sicurezza da adottare per i
motori di media e grande potenza, niente invece viene normato in merito ai
motori di piccola potenza.
• Carter
Abbiamo visto come il carter dei motori marini di dimensioni medio/grande
vada equipaggiato con sistemi di sfiato al ponte e valvole di esplosione, mentre,
ancora una volta, nulla viene stabilito per i motori di piccola potenza.
• Barriere tagliafuoco
Nei collettori di aspirazione e di scarico dei motori di potenza medio/grande
sono presenti barriere tagliafuoco atte a bloccare eventuali ritorni di fiamme, lo
stesso registro fornisce linee guida dettagliate con la descrizione di tali sistemi,
68
7 – Conclusioni
sistemi che appunto non vengono precisati nel caso di motori dalle piccole
potenze.
• Inertizzazione
Ancora in merito a questi sistemi di sicurezza non viene fatto alcun riferimento
ai motori di bassa potenza.
• Approvviggionamento:
Solo con uno sviluppo capillare e funzionale della rete distributiva dell’LNG si
potrà avere una diffusione di tale tecnologia sul naviglio minore; rete che allo
stato attuale delle cose risulta ferma.
Dunque alla luce di tutte queste criticità non si capisce bene come vadano risolti
certi problemi. Lo sviluppo della materia nel settore marino è recente ed i registri di
classificazione dovranno colmare alcuni vuoti. Sono dunque sicuro che nel momento
in cui verranno risolti questi aspetti critici, questi impianti vedranno una rapida
diffusione anche nelle piccole imbarcazioni.
69
Bibliografia
[1] P. Atkins, Principi di chimica, Chimica Fisica, Gruppo Editoriale Zanichelli,
Milano, 1999
[2] R. Della Volpe, Impianti Motori per la Propulsione Navale, Liguori editore,
Napoli, 2007
[3] Natural Gas Processor Suppliers, Engineering Data Book Ninth Edition,
Oklahoma, 1972
[4] www.imo.org
[5] www.wartisla.com
[6] www.rolls-royce.com/marine
[7] Dispense del corso di impianti di propulsione navale
[8] www.mantruckandbus.it
[9] www.vigilidelfuoco.it
70
Ringraziamenti
Eccomi qui, ho appena terminato la telefonata della buona notte con la mia
Ornellina che mi ha appena ricordato che tra qualche ora sarà il nostro anniversario
di fidanzamento (spero non abbia capito che me ne ero dimenticato) ... la mia schiena
è percossa da un brivido di freddo. Subito la mia mente vola in mille ricordi, dal
primo giorno di fidanzamento ad oggi è passato un battito di ciglia, lei sempre accanto
a me, insieme siamo cresciuti ed abbiamo condiviso momenti belli e speciali, ma
anche momenti brutti, vorrei pertanto ringraziarla per essermi stata accanto anche
quando forse non me lo meritavo tanto, quando lavoravo e quando ero sgorbutico
con lei, e per il suo “pensa positivo” che in tanti esami mi ha calmato dandomi quel
coraggio di andare avanti. Un sentito TI AMO non te lo proibisce nessuno. . . .
A te Mamma va il mio vivo grazie, la prima telefonata dopo ogni esame era la tua,
grazie per avermi sopportato anche quando nei miei momenti di sclero meritavo di
esser mandato a quel paese. . .
A te Papa va un ringraziamento speciale, se oggi sono quello che sono lo devo anche
a te ed ai tuoi sacrifici.
Come non ringraziare anche mio fratello Peppe per quei tanti consigli spassionati
che solo un fratello riesce a dare.
Sentitamente ringrazio tutta la mia famiglia, i miei zii e le mie cugine per il calore e
l’affetto dimostratomi nel tempo.
Grazie anche a te Nonna Rosa, anche se non vengo mai a trovarti sei sempre nel
mio cuore.
E grazie anche a te Nonno Peppe che da la su stai brindando alla mia laurea, se oggi
sono diventato quello che sono lo devo anche ai tuoi insegnamenti.
Grazie anche a tutti i miei amici di corso con i quali ho condiviso gioie e dolori,
ed hanno contribuito tassello dopo tassello alla mia formazione con i loro preziosi
consigli.
Grazie ai miei amici di merenda (non faccio nomi per tutelare la loro privacy), ed ai
miei amici della biblioteca Labriola.
Grazie anche a tutti coloro i quali non ho nominato ma credetemi in questi momenti
di forte emozione è difficile ricordarsi di tutti.
E soprattutto grazie di vero cuore anche al mio professore relatore Franco Quaranta
che in questi ultimi mesi ha rappresentato il mio unico contatto con il mondo
universitario seguendomi in questo lungo percorso formativo e suggerendomi di volta
in volta quale fosse la strada più appropriata da seguire.
71

Considerazioni di fattibilità sull`utilizzo dei motori Dual Fuel Diesel

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