universitÀ degli sudi di camerino dipartimento di scienze e tecnologie percorsi abilitanti speciali...
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La caldaia a condensazione; caratteristiche,funzionamento e analisi dei fumi della
combustione
UNIVERSITÀ DEGLI SUDI DI CAMERINODipartimento di Scienze e Tecnologie
Percorsi Abilitanti Speciali PASClasse di concorso C320
Macchine a fluido
Relatore: Ch.mo Prof. Nazareno AgostiniCorrelatore: Tutor Prof. David Vitali
Anno Accademico: 2013/2014
Corsista: Giulio PedinottiMatr. 091972
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Percorso didattico: La caldaia a condensazione
• Contesto scolastico e contestualizzazione curriculare• Le finalità educative• Gli obiettivi in termini di competenza e abilità• I prerequisiti• I nodi concettuali affrontati (contenuti)• Gli eventuali collegamenti interdisciplinari• Gli strumenti ed i materiali utilizzati• La scansione temporale• Le scelte metodologiche• La verifica sulle competenze acquisite• Gli indicatori per la valutazione• L’eventuale recupero e/o approfondimenti
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
• Scuola: Istituto Professionale per l’Artigianato «G. Benelli» – Pesaro (PU)• Indirizzo: Meccanica, Meccatronica ed Energia• Ambito disciplinare: Macchine a fluido e laboratorio• Studenti: Triennio «Operatore di Impianti Termoidraulici»
biennio anno III
Finalità educativeAcquisizione competenze professionalizzanti per l'inserimento nel mondo del lavoro
Contesto scolastico e contestualizzazione curriculare
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Obiettivi: Conoscenze
• Proprietà chimico-fisiche dei combustibili.• Proprietà meccaniche e tecnologiche dei materiali da costruzione e loro
classificazione.• Criteri di utilizzo i generatori di calore in rapporto alle destinazioni d’uso, all’impatto
e alla sostenibilità ambientale.• Principi, rendimenti, risparmio energetico e riduzione delle emissioni inquinanti.• Effettuare la posa in opera degli impianti di riscaldamento ed il loro collaudo finale.• Effettuare manutenzione di tipo ordinaria.• Normativa tecniche degli impianti UNI 10389-2 (Misurazione in opera dei generatori di
calore).
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Obiettivi: Abilità
• Riconoscere e comparare le caratteristiche chimiche, fisiche dei combustibili • Scegliere i generatori di calore in rapporto alle destinazioni d’uso, all’impatto ed alla
sostenibilità ambientale, prevedendo il loro comportamento nelle diverse condizioni di impiego
• Collaborare nell’esecuzione di impianti di riscaldamento nel rispetto delle norme tecniche.
• Definire e distinguere generatori di calore tradizionali o a condensazione• Riconoscere le tipologie di caldaie a condensazione più opportune per realizzare
impianti di riscaldamento differenti.• Definire i bruciatori valutandone il comportamento nei confronti del passaggio del
calore
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Prerequisiti: Competenze
• Individuare le strategie appropriate per la soluzione di problemi• Osservare, descrivere ed analizzare fenomeni appartenenti alla realtà naturale e
artificiale e riconoscere nelle varie forme i concetti di sistema e di complessità• Essere consapevole delle potenzialità e dei limiti delle tecnologie nel contesto
culturale e sociale in cui vengono applicate
Verifica prerequisiti
I prerequisiti sono stati oggetto di verifiche d’ingresso, in quanto svolti prima di questo percorso didattico. Ove necessario attraverso un ripasso si sottolineeranno i concetti fondamentali.
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Nodi concettuali affrontati: Contenuti
LEZIONE
CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE
1 Concetto di risparmio energetico e definizioni Principio di funzionamento
Lezione frontaleIntervento degli studenti
Discussione
LIMLibro di testo
Dispense2
2 Caratteristiche fisiche dei fumi della
combustione
Lezione frontaleIntervento degli studenti
DiscussionePresenza ITP
LIMLibro di testo
Schede tecniche produttoriCampioni in laboratorio
2
3 Rendimenti e curve di lavoro
Lezione frontaleIntervento degli studenti
DiscussionePresenza ITP
LIMLibro di testo
Schede tecniche produttoriVisita Centrale Termica
Scuola
2
4 Componentistica principale
Lezione frontaleIntervento degli studenti
Discussione
LIMLibro di testo
Dispense
2
5 Analisi fumi combustione con prova
strumentale Esercitazione in classe e per casa
Prove in LaboratorioRedazione di relazione di
LaboratorioPresenza ITP
Strumentazione di laboratorio
Generatore di calore in centrale termica
2
6
Verifica scritta: prova oggettiva articolata in: Domande aperte Quesiti a risposta multipla Quesiti di collegamento e completamento
Correzione della verifica scritta Consegna della relazione sulle prove di
laboratorio
--------- --------- 2
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Nodi concettuali affrontati: Contenuti
LEZIONE
CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE
1 Storia dei lateriziLezione frontale
Intervento degli studentiDiscussione
LIMLibro di testo
Dispense2
LEZIONE
CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE
1 Concetto di risparmio energetico e definizioni Principio di funzionamento
Lezione frontaleIntervento degli studenti
Discussione
LIMLibro di testo
Dispense del professore2
• BENESSERE AMBIENTALE PER L’UTENTE
• RISPARMIO ENERGETICO
RIDUZIONE DELLE
EMISSIONI INQUINANTI
La caldaie a condensazione
Rendimento = energia resa all’impianto/ energia utilizzata Potenza termica utile/Potenza termica focolare
Termoregolazione e sicurezze
bruciatore
scambiatore
mandata
ritorno
Scarico fumi
gas
IL PRINCIPIO
La caldaia a condensazione, può recuperare gran parte del calore latente dei fumi espulsi con il camino. La particolare tecnologia della condensazione consente infatti di raffreddare i fumi fino a farli tornare allo stato di liquido saturo , con un recupero di calore utilizzato per preriscaldare l'acqua di ritorno.
In questo modo la temperatura dei fumi di uscita (che si abbassa a circa 40 °C) è prossima alla temperatura di mandata dell'acqua.
È possibile lavorare con tali temperature dei fumi, quindi condensare, in quanto le caldaie a condensazione utilizzano scambiatori di calore realizzati con metalli resistenti all'acidità delle condense.
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Nodi concettuali affrontati: Contenuti
LEZIONE
CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE
2 Caratteristiche fisiche dei fumi della
combustione
Lezione frontaleIntervento degli studenti
DiscussionePresenza ITP
LIMLibro di testo
Schede tecniche produttoriCampioni in laboratorio
2
CALORE LATENTE E POTERE CALORIFICO COMBUSTIBILEIl calore latente (associato a una trasformazione termodinamica) è la quantità di energia necessaria allo svolgimento di una transizione di fase (o passaggio di stato). Ad esempio, il "calore latente di condensazione" è l'energia massica corrispondente al passaggio di un sistema (costituito da una a più sostanze chimiche) dallo stato di vapor d’acqua a quello liquido.L'unità di misura del calore latente λ nel Sistema internazionale è J/kg
-------------------------------
Si definisce potere calorifico di un combustibile l’energia termica sviluppata durante la combustione di 1 Kg di combustibile. Parte di questa energia viene utilizzata per l’evaporazione dell’acqua, se questa viene considerata persa nei fumi si ha il potere calorifico inferiore (è quello che si usa), se si pensa di recuperare l’energia di evaporizzazione dell’acqua si ottiene il potere calorifico superiore. Si misura in MJ/kg nel Sistema Internazionale o in KcaL/kg.
SI DISTINGUE TRA:Potere calorifico superiore (ΔcHs
o, meno correttamente indicato come PCS ).E’ la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente.Potere calorifico inferiore (ΔcHi
o, meno correttamente indicato come PCI).Il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la combustione".
LE CALDAIE A CONDENSAZIONELa caldaia a condensazione è una caldaia apparentemente in grado di ottenere un rendimento termodinamico superiore al 90% (potere calorifico inferiore ) del combustibile utilizzato grazie al recupero del calore latente di condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi della combustione. Vi è inoltre una conseguente riduzione delle emissioni di NOx e CO.
Le normali caldaie utilizzano solo una parte del calore sensibile dei fumi di combustione (140~160 °C ) perché occorre evitare la condensazione dei fumi, che dà origine a fenomeni corrosivi. Il vapore acqueo generato dal processo di combustione (circa 1,6 kg/m³ di gas) viene quindi disperso in atmosfera attraverso il camino: la quantità di calore in esso contenuta, definito calore latente, rappresenta l'11% dell'energia liberata dalla combustione, in tali caldaie non è recuperata.
Pcs in JouleGasolio 44000, Benzina 42700, Metano 50000, Idrogeno 120000
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Nodi concettuali affrontati: Contenuti
LEZIONE
CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE
3 Rendimenti e curve di lavoro
Lezione frontaleIntervento degli studenti
DiscussionePresenza ITP
LIMLibro di testo
Schede tecniche produttoriVisita Centrale Termica
Scuola
2
RENDIMENTI MINIMO SECONDO LA DIRETTIVA EUROPEA 92/42 CE
Rendimento teoricoCaldaie a bassa temperatura Caldaie a condensazione
111%
Dispersionidell‘involucro
qD
1% 1%108%93%
K = 15%K = 93% K = 108%
Valori riferiti al p.c.i. Valori riferiti al p.c.i.
111%
Perdite lato fumi qF6%94%
1%109,0%
Calore latente non sfruttato qC11%
100%1,0%
110,0%
CURVE CARATTERISTICHE ED EFFETTO DELLA MODULAZIONE DELLA POMPA SUL RENDIMENTO
Punto di rugiada
80
Tem
per
atu
re i
mp
ian
to [
°C]
-15 -10 -5 0 5 10 20 [°C]
Temperatura esterna
20
0
40
60
100
Sistema 75/ 60 °C
La caldaia a condensazione con pompa modulante si abbina anche agli impianti vecchi con radiatori!
Sistema 60/50 °C con adeguamento della
portata
Sistema 60/ 50 ° C
Sistema 40/ 30° C
Esercizio senza condensazione
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Nodi concettuali affrontati: Contenuti
LEZIONE
CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE
4 Componentistica principale
Lezione frontaleIntervento degli studenti
Discussione
LIMLibro di testo
Dispense
2
Struttura e funzioni
Raccordo concentrico per sistema aspirazione aria e scarico fumi (80/125) con tronchetti per test fumi
Vaso d‘espansione MAG (accessorio)
Condotto aspirazione aria
Scambiatore di calore in Alluminio-Silicio
Ventilatore con condotto di premiscelazione
Valvola regolazione gas
Raccordo per circuito eventuale miscelato (access.)
Valvola di ritegno
Pompa circ. riscaldamento modulante
Pompa carico bollitore (accessorio)
Animazione caldaia
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Nodi concettuali affrontati: Contenuti
LEZIONE
CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE
5 Analisi fumi combustione con prova
strumentale Esercitazione in classe e per casa
Prove in LaboratorioRedazione di relazione di
LaboratorioPresenza ITP
Strumentazione di laboratorio
Generatore di calore in centrale termica
2
Come si calcola il consumo di combustibile?
Volume di combustibile [m3/h]
Potere calorifico inferiore [kJ/m3]
Rendimento di combustione
Potenza termica utile [kW]
V =pt
η x pci
X 3600
Rendimento = energia resa all’impianto/ energia utilizzata
Foglio di calcolo CO2 risparmiata
ESERCITAZIONE PER CASAEseguire il rilievo degli ambienti della propria
abitazione con un programma di CAD. (recuperare se possibile una fotocopia della piantina catastale).
Eseguire il rilievo di tutti i corpi scaldanti presenti.Eseguire il rilievo di tutte le tubazioni di adduzioni
esistenti. (caldaia-collettore ; collettore- radiatori).Recuperare la scheda tecnica della propria caldaia
e calcolare il consumo di combustibile a monte e a valle dell’installazione di una caldaia a condensazione
(Es. scheda tecnica caldaia a condensazione).Valutare la fattibilità dell’intervento alla luce delle
vigenti leggi di incentivazione per il risparmio energetico 65% Irpef (Legge 296/2006 e ss.mm.i).
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Collegamenti interdisciplinari
• TTIM - Tecnologie e tecniche di installazione e manutenzione di Apparati e Impianti Civili e Industriali
• TMA - Tecnologie Meccaniche ed Applicazioni
• TEEA - Tecnologie elettriche ed elettroniche ed Applicazioni
• LTE - Laboratorio tecnologico ed Esercitazioni
• MATEMATICA
• INGLESE
Strumenti e materiali utilizzati
• Macchine a fluido, Volume Unico – G. Cornetti – Edizioni Il Capitello - Torino• LIM del docente• Schede tecniche aziende produttrici• Campione didattico generatore di calore a condensazione
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Spazi utilizzati
• Aula di laboratorio impianti termoidraulici con LIM• Aula informatica: excell• Visita guidata produttore caldaie Radiant Spa – Montelabbate di Pesaro (PU)• Visita guidata Centrale termica scuola professionale «G. Benelli» Pesarodi restauro o
nuova costruzione
Le scelte metodologiche
• Lezione Frontale con LIM (caratteri maiuscoli per DSA)• Lezione in laboratorio e analisi strumentale fumi della combustione. • Redazione di Relazione sulla prova di Laboratorio in piccoli gruppi (utilizzo di
campioni di materiali, immagini e filmati per la visualizzazione diretta e sensoriale di quanto trattato)
• Ricerca online schede tecniche – in gruppo
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
La verifica sulle competenze acquisite
• Verifiche scritte costituite da prove oggettive articolate in quesiti a risposta multipla, quesiti di completamento e collegamento, corrispondenze. Criteri di valutazione :
• Interrogazione orale per consolidare il linguaggio tecnico ed in preparazione alla verifica scritta• Relazione prova laboratorio
risposta non data o sbagliata
0 punti
risposta V/F 0,25 punti
completamento 0,5 punti
multiple 1 punto
corrispondenze 0,25 punti
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Gli indicatori per la valutazione: verifica scrittaObiettivi Livelli Punteggi
o/15Risultato
ConoscenzeConoscenza degli argomenti richiesti
Conoscenza solo di pochi aspetti degli argomenti richiesti.
1
Conoscenza frammentaria. 2 Conoscenza superficiale. 3 Conoscenza degli aspetti essenziali. 4 Conoscenza degli aspetti teorici essenziali e sufficiente uso delle tecniche.
5
Conoscenza completa. 6 Conoscenza completa e approfondita. 7
CompetenzeRispetto dei vincoli della traccia e correttezza dell’ applicazione. Chiarezza nell’ illustrazione.
Applicazione errata delle conoscenze con presenza di diffusi errori grossolani di calcolo.
1
Applicazione incerta delle conoscenze. 2 Applicazione solo parziale delle conoscenze. 3
Applicazione sufficientemente corretta delle conoscenze, rispetto ai vincoli della traccia.
4
Applicazione corretta e chiara delle conoscenze. 5 Sa adeguatamente individuare la problematica e applicare sapientemente procedimenti e regole. Nessuna presenza di errori grossolani.
6
CapacitàCapacità elaborativa di analisi del problema e capacità grafiche
Individua gli elementi essenziali e rappresenta graficamente l’indispensabile.
1
Individua e correla tutti i dati, sintetizza le conoscenze in modo originale e rappresenta graficamente il problema con grande completezza ed in maniera formalmente corretta.
2
VOTO COMPLESSIVO ATTRIBUITO ALLA PROVA _____/15
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Gli indicatori per la valutazione: relazione prova laboratorioValutazione dell’atteggiamento di lavoro:
punti1 Collaborazione nel lavoro di gruppo Contributo personale Rispetto delle norme di sicurezzaValutazione del rispetto dei tempi e delle consegne:
punti 1 Consegna nei tempi richiesti Rispetto delle modalità (foglio protocollo, carta millimetrata, tabella excell, ecc.)Valutazione del la documentazione (relazione sulla prova sperimentale):
punti 4completezza in tutte le parti:
obiettivo materiali e schematizzazione delle apparecchiature procedure di lavoro tabella delle misure impostazione e calcoli rappresentazione grafica e commento conclusioniCorrettezza nelle procedure e nei contenuti e nella terminologia specifica:
punti 3 deve risultare sempre chiaro l’obiettivo dell’esperienza i dati devono essere tabulati con le unità di misura (notazione scientifica) calcolo preceduti dalle formule i risultati devono essere approssimati correttamente le rappresentazioni grafiche sono comprensive della scala grafica e delle indicazioni delle grandezze in ascissa
e ordinata con relativa unità di misura le conclusioni sono riferite all’obiettivo (raggiunto o meno) e sempre motivate presenza di raffronti tra i valori sperimentali ed attesiMetodo di presentazione: punti
1 leggibile e ordinata, senza eccessive correzioni può essere utilizzato il computer per realizzare grafici e tabelle
Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione
Eventuale recuperi e/o approfondimenti
• Alunni con valutazione insufficiente: recuperi• Alunni con valutazione sufficiente: consolidamento• Alunni con valutazione buona: approfondimento
Sufficienze Tipologia intervento
s> 80% Recupero in itinere mirato + studio individuale
50%<s<80% Rafforzamento di alcuni contenuti in itinere. 1 lezione
20%<s<50% Attivazione di un corso pomeridiano
s< 20% Riprogettazione attività didattica
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