PROVINCIA di REGGIO CALABRIA

Assessorato all’Ambiente

Corso di Energy Manager

Maggio-Luglio 2008

LA COMBUSTIONE

Ilario De Marco

2

I COMBUSTIBILI

Si definisce combustibile una sostanza che attraverso una reazione chimica sviluppa calore. In particolare nel nostro caso i combustibili sono sostanze che combinate con l’aria, accese mediante un innesco iniziale, si trasformano in fumi e ceneri sviluppando energia termica. La quantità d’energia prodotta dipende dal tipo di combustibile; quindi si avranno combustibili energeticamente migliori rispetto ad altri. La scelta di un combustibile non è comunque solo legato al quantitativo d’energia che riesce a sviluppare, perché è necessario valutare tutta una serie di aspetti economici e tecnici riguardanti l’uso.

Potere calorifico E’ una caratteristica fondamentale dei combustibili

ed è definito come la quantità di calore fornito dalla combustione completa di un Kg od di un m

3 di prodotto.

Sono definiti due poteri calorifici di un combustibile :

3

• il potere calorifico superiore, PCS, inteso come la quantità di calore sviluppata comprensiva del calore recuperato dalla condensazione del vapor d’acqua contenuto nei fumi prodotti nella combustione ;

• il potere calorifico inferiore, PCI, inteso come la quantità di calore sviluppata non comprensiva del calore recuperabile con la condensazione del vapor d’acqua contenuto nei fumi prodotti nella combustione

Nel caso in cui si abbia un fornello a gas od una caldaia a condensazione si utilizza per i calcoli il

PCS, mentre nei casi correnti si utilizza il PCI dato che i fumi devono essere scaricati a temperature superiori ai 100 °C perciò non è possibile effettuare il recupero del calore posseduto dal vapor d’acqua contenuto nei fumi.

Un combustibile per essere praticamente utilizzabile deve avere anche le seguenti proprietà :

4

• un costo accettabile

• una elevata velocità di reazione

• non deve dare origine a prodotti della

combustione velenosi o corrosivi

LA COMBUSTIONE

La combustione è la combinazione del combustibile con l’ossigeno contenuto nell’aria, detta comburente. Per far avvenire una combustione è indispensabile che siano presenti :

• il combustibile

• l’aria comburente in quantità sufficiente

• un innesco della combustione

I combustibili sono costituiti essenzialmente da carbonio ed idrogeno, legati in modo più o meno complesso con rapporti diversi. A seconda del quantitativo di carbonio ed idrogeno si hanno combustibili con differenti poteri calorifici, che possono essere molto alti o talmente bassi da non renderne conveniente l’uso.

5

L’aria contiene una parte di ossigeno che combinandosi con il combustibile genera calore. Il quantitativo, in volume, di ossigeno contenuto nell’aria è di circa 1/5, mentre i rimanenti 4/5 sono costituiti da azoto e tracce di altri gas. Per garantire una corretta combustione è necessario che la quantità di aria fornita sia sufficiente per completare la reazione. E’ opportuno avere sempre un eccesso di aria, che comunque deve essere limitato perché produce un maggiore quantitativo di fumi con conseguente perdita di calore.

L’innesco è indispensabile per avviare la reazione di combustione, per fare in modo che successivamente si autoalimenti. Per innescare un innesco è sufficiente una scintilla che innalzi la temperatura di una piccola quantità di combustibile in modo da avviare la reazione con l’ossigeno.

COMBUSTIBILE + OSSIGENO = P.C. + ENERGIA

dove :

P.C. = Prodotti della combustione

6

Esempio, la combustione del metano:

CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2 + 8.550 kcal /m3

( a t = 0 °C e p = 1013 mbar )

POTERE CALORIFICO E’ definito, per combustibile :

J / Kg ( S.I. )

liquido energia / massa

Kcal / Kg ( S.T. )

J / m3 ( S.I. )

gassoso energia / volume

Kcal / m3 ( S.T. )

PCI il vapore d’acqua presente nei fumi non è

condensato

PCS l’energia del vapore d’acqua è recuperata

tramite condensazione

PCS > PCI

7

PCS = PCI + n ∆∆∆∆h

dove : n sono i Kg di H2O

∆∆∆∆h è l’entalpia di vaporizzazione

Esempio : 1) t = 0 °C 2) t = 100 °C

p = 1013 mbar p = 1013 mbar

∆h12 = 597 kcal / Kg = 2501 kJ / kg

PCS = PCI + n 597,46 ( S.T. )

PCS = PCI + n 2501 ( S. I. )

Applicazione Calcolare il PCS del metano, CH4 sapendo che il suo PCI è di 8.550 kcal / m3 ( a t = 0 °C , p = 1013 mbar )

CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2

Bisogna calcolare le kmoli di CH4 per metro cubo :

1 kmole di CH4 : 22,4 m3 = X : 1 m3 ossia :

X = 1 / 22,4 = 0,0446 kmoli di CH4

8

Le kmoli di H2O saranno :

2 x 0,0446 = 0,0892 kmoli di H2O I kg di H20 saranno : n = 0,0892 18 = 1,61 kg di H2O Pertanto :

PCS = PCI + n 597,46 = 8550 + 962 =

= 9.512 kcal/ m3

REAZIONI DI COMBUSTIONE

I principali componenti presenti nei combustibili sono : il carbonio ( C ) l’ossigeno (O2 ) lo zolfo ( S ) l’azoto ( N2 ) l’idrogeno ( H2 ) l’anidride carbonica ( CO2 ) l’ossido di carbonio ( CO ) l’acqua ( H2O ) il metano ( CH4 ) gli idrocarburi, diversi dal metano, ( CmHn ) Di questi componenti quelli combustibili reagiscono secondo le seguenti reazioni chimiche : C + O2 = CO2 + 394 kJ /mole S + O2 = SO2 + 297 kJ /mole

9

2 H2 + O2 = 2 H2O + 242 kJ /mole ( 1 ) CO + ½ O2 = CO2 + 283 kJ /mole CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2 + 803 kJ /mole CmHn + (m+n/4) O2 = n/2 H2O + m CO2 + ( * ) kJ /mole

L’ossigeno necessario per queste reazioni è quello presente nell’aria

Composizione media dell’aria atmosferica ( Aria secca a 0°C 1 1013 mbar )

pm % v/v % m/m

Azoto, N2 28 78,08

75,52

Ossigeno,O2 32 20,95

23,15

Argon, A 40 0,93 1,28

Anidride Carbonica Carcarbonica, CO

44 0,03 0,046

Altro 0,01 0,004

Nei calcoli relativi alle reazioni di combustione si assume che l’aria abbia la seguente composizione approssimata :

10

N2 = 79 % v/v O2 = 21 % v/v

Esempio Quanti metri cubi di aria bisogna utilizzare per

fornire 1 m3 di O2 ?

Detto Varia il volume di aria e VO2 il volume di ossigeno si ha :

VO2 = 21 % Varia = 0,21 Varia

Varia = 1 m3 / 0,21 = 4,76 m

3

Per alimentare 1 m3 di ossigeno si deve prevedere

un volume di aria pari a 4,76 m3 : cioè 4,76 m

3 di

aria contengono 1 m3 di ossigeno e 3,76 m

3 di

azoto.

1 m

3 di ossigeno

4,76 m3 di aria

3,76 m3 di azoto.

11

Calcolo dell’aria teorica per combustibili gassosi

Per tutti i gas, in condizioni TPN, una mole occupa 22,4 litri . E’ possibile interpretare un’equazione chimica anche come una relazione tra volumi ( litri o metri cubi ) di gas purché tutti siano riferiti alle stesse condizioni di TPN. Per esempio l’equazione di combustione del metano, in condizioni PTN : CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2 + 803 kJ /mole può essere interpretata affermando che 22,4 litri (1 mole) di metano bruciano con 2 (22,4 ) = 44,8 litri di ossigeno e si producono 44,8 litri di acqua (vapore) e 22,4 litri di anidride carbonica. Dalle equazioni (1) si ricavano i seguenti volumi di ossigeno, necessari per la combustione stechiometrica : 1 m3 di CH4 richiede 2 m

3 di O2 1 m3 di H2 richiede 0,5 m

3 di O2 1 m3 di CO richiede 0,5 m3 di O2

1 m3 di CmHn richiede (m+n/4) m3 di O2

Con riferimento all’aria si hanno i seguenti volumi stechiometrici : 1 m3 di CH4 richiede 9,52 m

3 di aria 1 m3 di H2 richiede 2,38 m

3 di aria 1 m3 di CO richiede 2,38 m3 di aria

1 m3 di CmHn richiede 4,76 (m+n/4) m3 di aria

12

Esempio

Si calcoli l’aria teorica necessaria per la combustione di 1 m3 di GPL di composizione volumetrica pari a 35 % di propano e 65 % di butano. Si scrivono le equazioni di combustione per il propano (C3H8) e il butano (C4H10 ) CmHn + (m+n/4) O2 = n/2 H2O + m CO2

C3H8 + (3+8/4) O2 = 8/2 H2O + 3 CO2

C4H10 + (4+10/4) O2 = 10/2 H2O + 4 CO2

C3H8 + 5 O2 = 4 H2O + 3 CO2 C4H10 + 6,5 O2 = 5 H2O + 4 CO2

0,35 m3 di propano richiedono : 1 : 0,35 = 5 : x da cui si trova : x = 1,75 m3 di O2 0,65 m3 di butano richiedono : 1 : 0,65 = 6,5 : y da cui si trova : y = 4,22 m3 di O2 In totale si avrà un contenuto di ossigeno pari a :

x + y = 5,97 m3 di O2 che richiede 28,4 m3 di aria.

13

Calcolo dell’aria teorica per miscele di combustibili

gassosi( formula generale) Se indichiamo con CO , H2, CH4, CmHn ed O2 le percentuali volumetriche dei vari componenti presenti in una miscela di combustibili gassosi si ottiene la seguente espressione per l’aria teorica in volume, Atv (metri cubi di aria per metro cubo di combustibile gassoso, m3 / m3) : Atv = (CO + H2) 2,38 /100 + CH4 9,52 /100 +

+ 4,76 [ Σi (mi+ni/4)CmiHni ] /100 - 4,76 O2 /100

l’ultimo termine (negativo ) tiene conto dell’eventuale presenza di ossigeno nella miscela di gas combustibile. In massa, l’espressione precedente diventa :

Atm = Atv ρaria = 1,293 Atv

Infatti la densità dell’aria a 298 K è pari a circa 1,293 kg/m3

Indice d’aria Nella pratica non è possibile utilizzare il quantitativo di aria teorico ricavato dalla stechiometria delle reazioni di combustione : si dovrà utilizzare un

volume (o una massa ) di aria reale , Av (o Am), che sarà sempre

maggiore del valore teorico Atv (o Atm) .

Il rapporto n = Av/Atv si chiama indice d’aria ed è pari ad 1 solo per le condizioni stechiometriche (teoriche), nella pratica n sarà sempre maggiore di 1.

Viene anche definito l’eccesso d’aria percentuale che è pari a :

e = ( n - 1 ) 100

14

Esempio Si calcoli l’eccesso d’aria percentuale e per n = 1,5 ed n = 2,5 e = (1,5 - 1 ) 100 = 50 % e = (2,5 - 1 ) 100 = 150 %

Calcolo del volume dei fumi prodotti nella combustione

Il volume dei fumi che si producono in una combustione completa è :

Gv= n Atv - 0,21 Atv + (CO + H2 + N2 + CO2 + H2O) /100 +

+ 3 CH4 / 100 + Σi [(mi + ni / 2)CmiHni ] / 100

dove : Gv il volume dei gas combusti per m3 di combustibile bruciato n Atv è il volume reale di aria che entra nel focolare 0,21 Atv è il volume di ossigeno che viene consumato nella combustione

e che quindi non si trova nei fumi CO + H2 + N2 + CO2 + H2O sono le concentrazioni percentuali volumetriche

dei vari elementi presenti nella miscela di combustibile in ingresso al focolare che o non partecipano chimicamente alla combustione o hanno rapporti stechiometrici unitari

CH4 è la concentrazione percentuale volumetrica di metano nel

combustibile : ogni mole di metano, bruciando, produce 3 moli di prodotti

15

CmiHni sono le concentrazioni percentuali volumetriche degli

idrocarburi presenti nel combustibile Con facili passaggi la formula di Gv può essere semplificata in :

Gv = n Atv + 1 - 0,005 (CO + H2) + 0,0025 Σi [(ni - 4)CmiHni ] Se si desidera esprimere la portata dei fumi in massa si ha :

Gm = n Atm + ρ combustibile [ Kg / m3] espresso in kg di fumi per m3 di combustibile Queste formule per Gv valgono solo per combustioni complete !

16

Esempio

Calcoliamo Atv e Gv per la combustione di un gas naturale di composizione volumetrica percentuale :

CH4 = 95,5 % C2H6 = 1,4 % C3H8 = 0,9 % N2 = 2,2 %

si assuma l’indice d’aria il valore n = 1,3

Atv = 95,5 9,52 /100 + 4,76 [(2 + 6/4) 1,4/100 + (3 + 8/4) 0,9]/100 = 9,1 + 0,447 = = 9,54 m3 di aria / m3 di gas naturale

Gv = 1,3 9,54 - 0,21 9,54 + 2,2/100 + 3 95,5/100 +

+ [( 2 + 6/2) 1,4 + (3 + 8/2) 0,9 ] /100 = = 13,42 m3 di fumi / m3 di gas naturale

Si ha pure :

Atm = 1,293 Atv = 1,293 9,54 =

= 12,33 kg di aria / m3 di gas naturale

Gm = n Atm + ρ comb = 1,3 12,33 + 0,72 =

= 16,75 kg di fumi / m3 di gas naturale Nelle analisi dei fumi di combustione è spesso necessario riferirsi ai fumi secchi, cioè considerati senza la presenza in essi del vapore d’acqua che si forma dalla combustione dell’ idrogeno. Dall’espressione di Gv è possibile ricavare la formula per il calcolo di [Gtv]fs cioè per il calcolo della portata di fumi quando la reazione avvenga con aria stechiometrica e riferita ai fumi secchi.

17

Nella formula di Gv dobbiamo porre n = 1 e sottrarre l’acqua che si forma dai combustibili contenenti idrogeno. Con facili passaggi si ottiene :

[Gtv]fs = Atv + 1 - 0,005 (CO + 3H2) - 0,0025 Σi [(ni+ 4)CmiHni ]

Esempio

Calcoliamo [Gtv]fs per la combustione di un gas naturale dell’esempio precedente :

[Gtv]fs = 9.54 + 1 - 0,0025 [ 10 x1,4 +12 x 0,9] = 10.48 m3 di fumi secchi / m3 di gas naturale

Il volume dei fumi secchi effettivo , cioè non stechiometrico, ma con eccesso d’aria è dato da :

[Gv]fs = [Gtv]fs + (n - 1) Atv

18

Le concentrazioni dei vari componenti nei fumi

Nel campo dell’analisi dei fumi si utilizzano le cosiddette concentrazioni per fumi secchi ; questa dizione significa, più correttamente, che nel calcolare la concentrazione volumetrica percentuale di un certo componente presente nei fumi, (per esempio la CO2 ) non si prende in considerazione l’effettivo volume totale dei fumi ma quello che si avrebbe se si separasse il vapore d’acqua (eventualmente) presente.

19

Esempio

Si supponga che 1 mc di metano bruci completamente in condizioni stechiometriche in aria ; si determini la concentrazione volumetrica aTPN , della CO2 nei fumi umidi e nei fumi secchi.

Soluzione

La reazione stechiometrica del metano è

CH4 + 2 O2 + 7.52 N2 = 2 H2O + CO2 + 7.52 N2

la concentrazione percentuale volumetrica della CO2 nei fumi umidi è : [CO2] fu = Volume di CO2 / Volume totale dei fumi = 1 / (2 + 1 + 7.52) = 1 / 10.52 = 9.5 %

20

la concentrazione percentuale volumetrica della CO2 nei fumi secchi è :

[CO2] fs = Volume di CO2 / Volume di CO2 e di N2 = = 1 / (1 + 7.52) = 1 / 8.52 = 11.7 %

Calcolo dell’indice d’aria n

Dalle relazioni precedenti si ha :

[CO2]fs stech = CO 2 / [Gtv] fs 100

[CO2]fs = CO 2 / [Gv] fs 100 e con semplici passaggi e ricordando che : [Gv]fs = [Gtv]fs + (n - 1) Atv si ottiene :

[CO2]fs stech / [CO2]fs = [Gv] fs / [Gtv] fs = 1 + (n - 1) Atv/ [Gtv] fs

e quando il rapporto Atv/ [Gtv] fs è circa pari ad 1 si semplifica a :

[CO2]fs stech / [CO2]fs = n

che diventa l’espressione per il calcolo dell’indice d’aria.

Questa formula dà luogo ad errori gravi se applicata :

21

• a combustibile ricco di H2 e CO • combustibile ricco di N2 ( per es. gas d’alto forno in cui [Gtv] fs / Atv = 2 ! )

Altra espressione comunemente utilizzata, nella stessa ipotesi di Atv/ [Gtv] fs = 1 , per il calcolo di n è :

n = 21/ ( 21 - O2 ) dove O2 è la concentrazione residua di ossigeno nei fumi.

Condizioni ottimali per la combustione nella pratica tecnica

In ogni combustione è necessario porre in intimo contatto il combustibile con l’ossigeno per assicurare un’elevata superficie di reazione e per consentire il raggiungimento di temperature sufficientemente elevate per tutte le molecole di combustibile garantendo così una sufficiente cinetica di reazione. Il combustibile inviato alla combustione deve bruciare completamente non essendo accettabile, né in termini energetici né in termini di inquinamento

22

ambientale e sicurezza, la presenza di combustibile nei fumi scaricati.

Per fornire a tutte le molecole di combustibile l’ossigeno necessario si deve utilizzare sempre un eccesso di ossigeno, e quindi di aria, rispetto ai valori stechiometrici. Tale eccesso di aria sarà, in generale, di valore crescente passando dai combustibili gassosi a quelli liquidi e a quelli solidi per la evidente maggiore complessità di mescolare un combustibile solido con un gas (aria) rispetto ad un combustibile liquido o, meglio ancora, ad un combustibile gassoso. E’ importante comprendere che non esistono valori giusti in assoluto per l’eccesso d’aria e per la temperatura dei fumi allo scarico della caldaia: si è infatti davanti ad un tipico problema di ottimizzazione tra esigenze contrastanti. In linea di principio si dovrebbe usare un eccesso d’aria quanto più piccolo possibile ed una temperatura dei fumi più bassa possibile; in tal modo si minimizzano le perdite legate allo scarico dei fumi caldi in atmosfera, questa scelta però può avere effetti negativi: • sulla necessità di bruciare tutto il combustibile, per evitare pesanti perdite energetiche;

23

• sulla durata della canna fumaria, che potrebbe essere sottoposta a fenomeni di corrosione dovuta a condense acide;

• sulla necessità di avere comunque un sufficiente tiraggio al camino che, per tiraggio naturale, è proprio legato alle diverse densità di fluidi a temperature diverse.

A parità di combustibile esiste anche un effetto scala: le caldaie di potenza elevata sono, in generale, dotate di sistemi di controllo e regolazione della combustione più efficienti e sofisticati. Una caldaia di elevata potenza, per esempio 350 kW, con bruciatore dotato di serranda automatica di regolazione dell’aria può avere un indice d’aria pari a 1,1 o 1,2 (cioè un eccesso d’aria di solo il 10 o il 20 % ). Una piccola caldaia murale da 20 KW, con bruciatore atmosferico, può avere un indice d’aria pari a 1,5 /2,0 (50% o 100% di eccesso d’aria). LA tabella seguente riporta alcuni valori di temperatura di scarico fumi, delle concentrazioni di CO e CO2 e di opacità.

24

Temperature e composizione dei fumi scaricati da un

generatore di calore

Combu= stibile

Numero di

Bacharach

CO

ppm f. secchi)

CO2 %

f. secchi)

T. Fumi

°C

Metano 0 80 9,7 – 10,5 130 - 150

GPL 0 80 11,5 –12,8 130 - 150

Gasolio 0 - 1 140 12 - 14 140 - 160

Olio C. BTZ 1% S

2 - 4 140 12 - 13 160 - 180

Olio C. BTZ 3%S

2 - 4 140 12 - 13 180 - 200

25

Emissioni in atmosfera La norma tecnica UNI 10389 indica un valore massimo della concentrazione di monossido di carbone, CO, che può essere scaricato in atmosfera dai camini degli impianti di riscaldamento. Detta norma precisa che il valore della concentrazione limite di CO (pari a 1000 ppm = 0,1 % v/v ) deve essere riferito alle condizioni di prodotti della combustione secchi e senz’aria. In tal modo si garantisce che non si utilizza la diluizione dei fumi con aria come espediente per aggirare la limitazione sulla emissione di CO. Infatti:

• la massa di CO prodotta nella combustione reale per unità di massa ( o di volume ) di combustibile non cambia se si assume che la combustione avvenga in condizioni stechiometriche (senz'aria in eccesso ! ) cioè n=1 ; in tal caso è minimo il volume dei fumi scaricati al camino e, quindi, massimo il valore della concentrazione di CO.

• La concentrazione di CO deve essere misurata in percentuale volumetrica supponendo di

26

condensare e separare dai fumi il solo vapore d’acqua eventualmente presente.

In queste condizioni di riferimento la concentrazione teorica per fumi secchi è dunque un valore calcolato ( e non misurato dall’analisi dei fumi) numericamente sempre maggiore del valore misurato. La concentrazione teorica per fumi secchi COt,fs è anche denominata CO corretto , CO non diluito, CO teorico o CO stechiometrico.

I possibili tipi di combustione nella pratica termotecnica

Esistono quattro tipi possibili di combustione:

1. La combustione stechiometrica 2. La combustione con eccesso d’aria 3. La combustione in difetto d’aria 4. La combustione incompleta La combustione stechiometrica è solo un riferimento teorico utile come termine di confronto mentre gli altri tre tipi di combustione possono essere effettivamente riscontrati durante l’analisi dei fumi .

27

La combustione stechiometrica

In questo caso nei fumi non sono presenti né ossigeno , O2 , né combustibile, l’aria teorica A tv coincide con l’aria effettivamente utilizzata , A v, e, quindi :

n = A v / A tv = 1

Nei fumi sono solo presenti: anidride carbonica, CO2, acqua H2O, azoto N2 ed eventualmente, ossido di zolfo SO2.

La combustione con eccesso d’aria

E’ questa la condizione che si trova nel normale funzionamento delle caldaie. Nei fumi non è presente combustibile incombusto ed il rapporto

n = A v / A tv > 1

Nei fumi sono presenti: O2, CO2, H2O, N2, NOx, ed eventualmente, SO2.

La combustione in difetto d’aria

E’ una condizione di malfunzionamento; nei fumi è assente l’ossigeno O2, ma è presente combustibile incombusto. I fumi contengono anche CO, fuliggine, CO2, H2O, N2, NOx, ed SO2.

28

La combustione incompleta

E’ anche questa una condizione di malfunzionamento; nei fumi sono presenti: il combustibile, l’ossigeno, CO e fuliggine, CO2, H2O, N2, NOx, ed SO2 . Questa situazione può presentarsi, per esempio, durante un transitorio di funzionamento, per cattiva miscelazione tra combustibile ed aria, nel caso che la temperatura di combustione sia troppa bassa.

Il triangolo di Ostwald Sulla base delle reazioni di combustione e dei bilanci di materia è possibile correlare tra loro, per ogni specifico combustibile, i seguenti quattro parametri:

• La concentrazione di CO2 percentuale nei fumi secchi;

• La concentrazione di O2 percentuale nei fumi secchi;

• La concentrazione di CO percentuale nei fumi secchi;

• L’indice d’aria n (oppure l’eccesso percentuale d’aria e)

29

Noti due di questi parametri è sempre possibile ricavare il valore degli altri due; in forma grafica questa relazione è riportata nel triangolo di Ostwald. 18

16

GAS 14 12 n=1,5 CO=0%

10 P2 8 n=1,2 6 n=1,1 4 n=1 P1 2

CO=10% CO=5%

0 2 4 6 8 10 12 14 CO2 (%)

La figura riporta, per esempio, il triangolo di Ostwald relativo al metano. Ogni combustibile ha un proprio e specifico triangolo di Ostwald.

O2 (%)

30

Con riferimento alla figura osserviamo:

• Il punto rappresentativo delle condizioni della combustione deve cadere all’interno del triangolo;

• Considerando la retta CO =0, cioè combustione perfetta senza incombusti, notiamo che essa interseca l’asse delle ascisse in un punto di coordinate (11,7; 0), cioè al valore CO2 = 11,7 ed O2 = 0, cioè combustione stechiometrica con eccesso d’aria pari a zero. La stessa retta interseca l’asse delle ordinate nel punto (0;21) cioè combustione con eccesso d’aria tendente all’infinito (O2 nei fumi = all’O2 nell’aria =20,9 %) e concentrazione di CO2 praticamente zero.

Esempio

Riportare sul triangolo di Ostwald della figura precedente i valori ottenuti da analisi dei fumi di una combustione con metano: Caso A CO = 1% CO2 = 9 % Caso B O2 = 8 % CO2 = 13 %

31

Soluzione Caso A : i valori dati corrispondono al punto P1 interno al triangolo; per tale punto si ottiene pure: O2 = 3,3 % n = 1,15 corrispondente a

e = 100 x (1,15 – 1) = 15 %

E’ una condizione di funzionamento possibile, dal punto di vista chimico, ma non rispetta il limite di CO previsto dalla legge, (0,1 %). Caso B: i valori dati corrispondono al punto P2 esterno al triangolo. Questo non è fisicamente possibile! Significa che c’è qualcosa di sbagliato nella analisi dei fumi effettuate oppure, l’analisi era relativa ad un combustibile diverso dal metano.

Le perdite nell’impianto generatore di calore

32

Bruciatore e caldaia

Il bruciatore ha la funzione di trasformare l’energia chimica del combustibile in energia termica. Allo scopo il bruciatore aspira l’aria comburente , polverizza il combustibile (quando è liquido) , accende e governa la fiamma secondo i comandi della regolazione.

a “ modulazione di fiamma “ Regolazione a “ tutto o niente ”

La caldaia ha la funzione di trasferire il calore prodotto all’acqua che lo trasporterà all’interno dell’edificio. La caldaia si comporta come uno scambiatore di calore gas/acqua e, la trasmissione avviene per circa un 50% per radiazione (fiamma) e per il rimanente 50% per convezione ( calore dei fumi). I fumi di combustione dopo aver ceduto il loro calore sensibile, vengono evacuati attraverso il camino.

T Radiativa

T fiamma Convettiva

Perdita fumi

T fumi

Te

Pu Pf P

Dove Pf è la quantità di calore perduta con i fumi nell’unità di tempo, che può essere calcolata come :

33

Pf = Csf pf ( Tf - Te )

Essendo Csf il calore specifico dei fumi pf la portata dei fumi Tf la temperatura dei fumi Te la temperatura esterna

Fumi

Te

Edificio

Bruciatore Caldaia

T2

Ti

T1 Combustibile Aria a Te

Te Temperatura esterna Ti Temperatura interna T2 Temperatura di mandata dell’acqua all’utenza T1 Temperatura di ritorno dell’acqua in caldaia Tf Temperatura dei fumi all’uscita dalla caldaia > T2

La quantità di calore trasferita nell’unità di tempo (effetto utile) sarà:

Pu = p (T2 - T1)

Essendo p la portata d’acqua

Calore utile e perdite La quantità teorica di calore (in condizioni di combustione completa) che si rende disponibile nell’unità di tempo è legata alla portata di combustibile in ingresso nel generatore di calore :

34

Pfoc = q PCI

Dove : q = consumo orario di combustibile PCI = potere calorifico inferiore del combustibile

Questa potenza immessa nel generatore di calore è chiamata potenza

termica del focolare (oppure portata termica ). In realtà oltre al combustibile , entra nel generatore anche l’energia elettrica necessaria al funzionamento della pompa di circolazione , del bruciatore e della strumentazione di regolazione e controllo ma, per i nostri fini , possiamo prendere in considerazione solo l’energia che entra con il combustibile.

Per il principio di conservazione dell’energia la potenza termica Pfoc sarà suddivisa in :

• Pu come potenza necessaria ad aumentare la temperatura del fluido

vettore all’uscita della caldaia (Potenza utile)

• Pf come potenza immessa in atmosfera attraverso i fumi caldi

(Potenza persa al camino)

• Pirr come potenza persa attraverso l’involucro della caldaia (Potenza

persa per irraggiamento e convezione dal mantello della caldaia)

• Pinc come potenza persa per non completa combustione (presenza di

incombusti )

Il bilancio energetico di una caldaia sarà:

Pfoc = Pu +Pf + Pirr + Pinc

Che, nell’ipotesi che il termine Pinc sia trascurabile, diventa :

Pfoc = Pu + Pf + Pirr

Schema semplificato di bilancio energetico della caldaia

35

Pf

Pfoc Pu

Pconv

Pirr

Il rendimento utile ηηηηu della caldaia è espresso dal rapporto :

Pu Pfoc – (Pirr +Pf ) (Pirr + Pf )

η u = = = 1 -

Pfoc Pfoc P foc

ed esprime la frazione di combustibile che viene utilizzata ai fini desiderati.

Il rendimento di combustione convenzionale ηηηηc si ottiene considerando la sola perdita di potenza legata al calore sensibile dei fumi e cioè assumendo che siano trascurabili tutte le altre perdite, si ha :

Pc Pfoc – Pf Pf

η c = = = 1 -

Pfoc Pfoc Pfoc

Osserviamo che per una data caldaia, si avrà sempre : η η η η c > η η η η u

Perdita per incombusti Questa perdita sarebbe inevitabile se l’aria disponibile alla combustione fosse inferiore a quella stechiometrica necessaria ad ossidare il combustibile.

36

Infatti , in questo caso, l’idrogeno, più attivo, si ossiderebbe, ma una parte del carbonio o non verrebbe ossidato o lo sarebbe parzialmente a livello di CO e non di CO2. Per evitare la formazione di incombusti bisogna dare un eccesso di aria, tanto maggiore quanto più grande risulta la difficoltà di disperdere il combustibile nell’aria comburente. L’eccesso di aria in generale sarà elevato per i combustibili solidi, minore per quelli liquidi, se non polverizzati, modesto per i combustibili gassosi. In pratica si accettano perdite per incombusti dell’ordine dell’ 1 o del 2 %. Basterà quindi eseguire un’analisi dei fumi e verificare gli opportuni parametri (modalità che saranno illustrate in dettaglio nel capitolo successivo pertinente).

Perdita per dispersioni attraverso l’involucro

La potenza termica persa attraverso l’involucro della caldaia Pirr è dovuta sia a fenomeni di irraggiamento sia a convezione (l’aria fredda che circola sul mantello esterno della caldaia si riscalda), sia a conduzione (i tubi metallici , per esempio, si riscaldano e disperdono potenza). Detta perdita è funzione decrescente della potenzialità del generatore: i

generatori di elevata potenzialità hanno Pirr molto piccole (1 –2% ) della

potenza termica del focolare, mentre piccole caldaie possono avere Pirr pari anche al 10% della potenza termica del focolare. Una verifica si può effettuare stimando la dimensione S dell’involucro , misurando la temperatura media Ts della superficie , attribuendo un coefficiente di scambio ( circa 8 w/m2°C) e misurando la temperatura Te del locale caldaia.

Pirr = 8 S (Ts - Te )

Perdita nei fumi Tale perdita è proporzionale al prodotto della portata dei fumi per la loro temperatura.

37

La portata dipende dall’eccesso d’aria, mentre la Tf dovrebbe essere superiore alla temperatura di mandata T2 di circa 50 °C . Esiste però un vincolo tecnologico contro il rischio delle condense acide che è più severo. Tale rischio è in relazione al diverso contenuto di zolfo nel combustibile .

Temperature e composizione dei fumi scaricati da un g.c.

Combustibile

Numero di

Bacharach

CO

(ppm f. secchi )

CO2

(% f. secchi )

Tfumi ( °C )

Metano

0 80 9,7 – 10,5 100 - 130

GPL 0 80 11,5 – 12,8 100 - 130

Gasolio 0 - 1 140 12 - 14 140 - 160

Olio Comb. BTZ (1%)

2 - 4 140 12 - 13 160 - 180

Olio Comb. (3%)

2 - 4 140 12 - 13 180 - 200

Se tale temperatura Tf fosse sensibilmente superiore ai suddetti valori si avrebbe una perdita ingiustificata. Approssimativamente per ogni 100 °C di sovratemperatura si perdono

circa 5% di η c nel caso di impianti a gasolio e circa 7 % nel caso del CH4. Una troppa elevata Tf può essere imputabile a :

• Cattivo stato delle superfici di scambio

• Caldaia troppo piccola rispetto alla potenza fornita dal bruciatore

• Insufficienza delle superfici di scambio La potenza persa al camino, espressa in W, si determina dalla :

Pf= Mc Gm cf (Tf – Te ) Dove :

38

Mc sono i m

3 / s di combustibile gassoso Gm sono i Kgfumi / m

3 di combustibile cf è il calore specifico dei fumi a p costante, in J/ Kgfumi °C (Tf – Te ) è il salto di temperatura tra ingresso e uscita della caldaia La potenza termica percentuale persa al camino ( Qs nella nomenclatura UNI ) è pari a :

Qs = 100 Pf / Pfoc

ossia : Mc Gm cf (Tf – Te )

Qs = 100 ------------------------- = Mc PCI

Gm cf (Tf – Te )

Qs = 100 ----------------------

PCI

Esempio

Ricaviamo l’espressione di per una combustione che utilizzi metano. Ricordiamo che :

densità del metano : ρ CH4= 0,717 kg/m3

PCI del metano = 36 106 J/m3

Calore specifico medio a pressione costante per i fumi della combustione cf = 1.040 J/ kg °C

39

Valutiamo la portata dei fumi Gm

Gm = n Atm + ρ CH4 Atm = Atv ρ aria = Atv 1,293 Atv = 9,52 m

3 aria/ m3 CH4

Atm = 1,293 . 9,52 = 12,31 kg aria/ m3 CH4 per cui :

Gm = n Atm + ρ CH4 = CO2 teorica /CO2 12,31 + 0,717 = = 11,7/ CO2 12,31 +0,717 = 144/ CO2 + 0,717 la si può dunque scrivere :

( 144/ CO2 + 0,717 ) 1.044 (Tf – Te ) Qs = 100 ------------------------------------------------ =

PCI

( 149.760/ CO2 + 746) (Tf – Te ) = 100 ------------------------------------------------ =

36 10 6

= ( 0,42/ CO2 + 0,002 ) (Tf – Te ) Formule analoghe sono riportate per i vari tipi di combustibile nella norma

UNI 10389 nella forma :

Qs = ( A2/ CO2 + B ) (Tf – Te ) Dove i valori A2 e B sono indicati ,per ogni combustibile, in un apposito prospetto.

40

Rendimento utile e consumo specifico

Pu Pu

ηu = ---------- = ----------- (1) Pfoc Mc PCI

Dove Pu è la potenza utile in W Mc sono i kg/s (oppure m

3/s) di combustibile utilizzati PCI è il potere calorifico inferiore, in J/kgcomb (oppure J/m

3comb)

Nella (1) dividendo numeratore e denominatore per Pu ; si ha :

1 1

ηu = --------------- = -------------- (2) Mc PCI/Pu mc PCI

dove mc è il consumo specifico di combustibile espresso in kg/s.W ( o in m3 /s .W ). Dalla (2) si ottiene anche :

1

mc = --------------

η η η ηu PCI

che mostra come il consumo specifico per unità di potenza utile sia inversamente proporzionale al valore del rendimento utile: quanto più

elevato è ηu tanto minore sarà il consumo specifico.

Esempio Si calcoli il consumo specifico per unità di potenza mc per una caldaia a

metano con P u = 29.000 e ηu = 70 %; si ripeta il calcolo per ηu = 90 %. 1° caso

mc1 = 1/ ηu1 PCI = 1/ 0,70 36 10 6 = 3,968 10-8 m3/s W

41

2° caso

mc2 = 1/ ηu2 PCI = 1/ 0,90 36 10 6 = 3,086 10-8 m3/s W

mentre il consumo orario Mc (Mc = mc Putile)sarà nei due casi : 1° caso Mc1 = 3,968 10

-8 29.000 = 1,151 10-3 m3/s = 4,14 m3/h 2° caso Mc2 = 3,0,86 10

-8 29.000 = 8,949 10-4 m3/s = 3,22 m3/h

Esempio I dati tecnici di una caldaia a camera aperta con tiraggio naturale, sono:

• Potenza termica focolare 20 kW

• Potenza termica utile 18 kW

• Temperatura fumi 150 °C

• Portata fumi 46 kg/h

• CO2 nei fumi (secchi) 6,3 %

• Combustibile metano, PCI 8.570 kcal/m3 = =9,97 kWh/m3

Si calcolino Qs, Pf, Pconv , ηu, ηconv

Soluzione Se la temperatura dell’aria ambiente è pari a 20°C si ha, utilizzando la formula riportata nell’UNI 10389.

42

La perdita percentuale nei fumi è :

Qs = (A2/ CO2 + B) (Tf – Te ) = ( 0,38/ 6,3 + 0,01 ) (150 – 20 ) = 9,1 % La potenza persa nei fumi è : Pf = Qs Pfoc /100 = 9,1 * 20 / 100 = 1,82 kW La potenza convenzionale sarà : Pconv = Pfoc - Pf = 20 – 1,82 = 18,2 kW I rendimenti saranno :

ηconv = 18,2/20 = 91 %

ηu = 18/20 = 90 % Si osservi che : P foc > P conv > P u Si ha Dalla P foc = P u + P irr + P f si ha : 20 = 18 + P irr + 1,82 P irr = 0,18 kW che in percentuale è pari a : 0,9 % circa 1% La figura successiva mostra il bilancio energetico di questa caldaia. Schema semplificato del bilancio energetico della caldaia

Pf =1,82 kW

9,1%

43

Pfoc=20 kW Pu =18 kW

100% Pconv 90%

Pirr = 0,18 kW

0,9% Bilancio energetico:

Pfoc = Pu + Pf + Pirr

In valore assoluto : 20 = 18 + 1,82 + 0,18 In valore percentuale : 100 = 90 + 9,1 + 0,9

Rendimenti :

ηu = 100 Pu / Pfoc = 100 18/20 = 90 %

ηconv = 100 Pconv / Pfoc = 100 (Pfoc - Pf)/ Pfoc = 100 (20 – 1,82)/20 =

= 100 18,2/20 = 91 %

Esempio

Utilizzando l’espressione di Qs, riportata nelle UNI 10389, si calcoli la perdita percentuale nei fumi per i seguenti quattro casi :

44

1. metano, CO 2 = 6% , Taria = 20°C, T f = 140°C 2. come 1) ma la T f = 240°C

3. gasolio, CO 2 = 12% , Taria = 20°C, T f = 180°C 4. come 3) ma la T f = 280°C

Soluzione

Metano 1) Qs = ( 0,38/6 + 0,01) (140 – 20 ) = 8,8% 2) Qs = ( 0,38/6 + 0,01) (240 – 20 ) = 16,1%

Qs aumenta di circa 7 punti percentuali quando la temperatura fumi passa da 140 °C a 240 °C

Gasolio

3) Qs = ( 0,50/12 + 0,007) (180 – 20 ) = 8% 4) Qs = ( 0,50/12+ 0,007) (280 – 20 ) = 13%

45

Qs aumenta di circa 5 punti percentuali quando la temperatura fumi passa da 180 °C a 280 °C