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METODOLOGIE
METODOLOGIE
DI RISPARMIODI RISPARMIO
DI ENERGIADI ENERGIA
TERMICATERMICA
______________
Ing. Nino Di Franco
ENEA-UTEE-IND
Corso di formazione ed aggiornamento professionaleper Energy Managers-Trenitalia
BOLOGNA 15-16 Giugno 2011
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IL CONTROLLO DELLA COMBUSTIONE
Il primo passo, propedeutico per unaqualunque diagnosi energetica, è ladeterminazione dell’efficienzaefficienza con cui vieneprodotta potenza termica utile.
Il concetto si traduce nel determinarel’efficienza di combustione dei generatori dicalore presenti, e verificarne la correttezza.
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LA COMBUSTIONE
La combustione è una reazione chimica diossidazione caratterizzata da:
sviluppo di calore (la reazione è esotermica) grande velocità di reazione sviluppo in fase gassosa
Affinché possa svilupparsi, la combustionenecessita della presenza di:
un combustibile un comburente un innesco che porti localmente ad elevata
temperatura i reagenti
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Gcomb, PCI
Gfluido, hout
Gfluido, hin
Generatore di caloreGeneratore di calore
Gfluido = portata in massadel fluido riscaldato
hfluido out
hfluido in = entalpie del fluidoin ingresso-uscitadal generatore
Gcomb= portata in massa dicombustibile
PCI = potere calorificoinferiore del combustibile
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L’efficienza del generatore di calore è definitadalla seguente espressione:
!
Efficienza =Energia fornita al fluido di lavoroEnergia fornita con il combustibile
L’equazione operativa conseguente è:
!
Efficienza =Gfluido " (hfluido out - hfluido in )
Gcombustibile "PCI
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necessita di diverse misure (portate, temperature,pressioni dei diversi fluidi).
Nella pratica, si utilizza una differente equazione chetiene in conto tutte le perdite di calore:
Efficienza = 100 – (%perdite)
Per poterla utilizzare, devono essere conteggiateTUTTE le forme di perdite.
Le PERDITE DI CALORE sono energia che non vienetrasferita al fluido di lavoro per incrementarne ilcontenuto energetico, ma che viene onerosamentedissipata nell’ambiente.
!
Efficienza =Gfluido " (hfluido out - hfluido in )
Gcombustibile "PCIL’equazione:
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In un generatore di calore hanno luogo tre tipi diperdite:
Q1 = PERDITE NEI FUMI
Q2 = PERDITE PER INCOMBUSTI
Q3 = PERDITE PER IRRAGGIAMENTO
Altri tipi di perdite (per attacca-stacca, per effettocamino allo spegnimento, spurghi, ecc...) sono diminor importanza.
Perdite nei generatori di calore
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Calore nelcombustibile
Calorenell’aria
preriscaldataCalore perirraggiamento
Calore alprocesso
Calore sensibilenei gas
Calore perincombusti
Altri tipi diperdite
Bilancio termico di un generatore di calore
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!
Q1
= c f "Gf " Tf #Ta( ) [kW ]
1) PERDITE NEI FUMI
• Le perdite nei fumi sono spesso la causa primaria diuna ridotta efficienza di combustione.
• Energia viene dissipata allorché un fumo vienescaricato dal generatore al camino.
• La perdita è funzione della portata di aria cheattraversa il generatore e della temperatura a cui ilgas viene scaricato:
In cui:- cf , Gf , Tf sono rispettivamente calore specifico, portata e temperatura di rilascio del gas
- Ta è la temperatura ambiente
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!
Q1
= Ks
Tf "Ta
CO2
!
%[ ]
E’ PIU’ PRATICO ESPRIMERE LE PERDITE COMEPERCENTUALE DELL’ENERGIA NEL COMBUSTIBILEADOTTANDO LA SEGUENTE FORMULA:
- Ks = Costante di Hassenstein (funzione delcontenuto di CO2 nei fumi e del tipo dicombustibile)
- CO2 = Percentuale di Biossido di Carbonio in volume nei fumi
1) PERDITE NEI FUMI
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!
Q1
= Ks
Tf "Ta
CO2
[%]
Valori della costante di Hassenstein Ks Combustibile
CO2 Metano Gasolio O.C. Carbone 4 0,418 0,523 0,543 0,683 5 0,427 0,530 0,550 0,684 6 0,437 0,536 0,556 0,685 7 0,447 0,543 0,563 0,686 8 0,457 0,550 0,570 0,687 9 0,466 0,557 0,576 0,688
10 0,476 0,564 0,583 0,689 11 0,486 0,571 0,590 0,690 12 0,578 0,596 0,691 13 0,585 0,603 0,692 14 0,592 0,610 0,693 15 0,694 16 0,695
1) PERDITE NEI FUMI
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!
Q1
= Ks
Tf "Ta
CO2
!
%[ ]LA FORMULA:
deriva dallo sviluppo della definizione di una perditapercentuale.
Nel caso per es. della combustione del metano,questo originerebbe:
!
Q1
=cfGf (Tf "Ta )
GcombPCI=
cf 9,6 #11,6
CO2[ ]
+1
$
% &
'
( )
1#PCI(Tf "Ta )
1) PERDITE NEI FUMI
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Esercizio
Valutare le perdite per calore sensibile nei fumi percombustione di gasolio, nelle seguenti condizioni:
CO2 misurata nei gas 13,0 %
Temperatura ambiente 20 °C
Temperatura dei gas 230 °C
!
Q1
= Ks
Tf "Ta
CO2
= 0.585 230 " 20
13 = 9.45 [%]
1) PERDITE NEI FUMI
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DOSAGGIO DELL’ARIA COMBURENTE
L’Eccesso d’Aria è un’espressione che indica quantaaria in più viene utilizzata rispetto a quantostrettamente necessario.
Se: Vr = Volume di aria reale
Vt = Volume di aria teorico (stechiometrico)
!
Eccesso d'aria E(%) =Vr "Vt
Vt
#100
!
Indice d'aria n =Vr
Vt
"100
!
n =1+E
100
1) PERDITE NEI FUMI
Se l’indice d’aria è: n = 1.34 l’eccesso d’aria è: E = 34%
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1) PERDITE NEI FUMI
DOSAGGIO DELL’ARIA COMBURENTE
Elevato eccesso d’aria: elevate perdite nei fumi
Insufficiente eccesso d’aria: presenza di incombusti neifumi
!
n =1
1" 0,048 O2
+ 0,014 CO
Misurando i parametri della combustione, si puòdeterminare l’eccesso d’aria con le seguenti equazionidella combustione:
!
n =CO
2[ ]max
CO2[ ]
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1) PERDITE NEI FUMI
Per es., per la combustione del metano si ha laseguente relazione tra CO2 nei fumi ed indiced’aria:
Da una misura della CO2 nei fumi è immediatoricavare l’indice d’aria.
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1) PERDITE NEI FUMI
• L’eccesso d’aria deve essere fissato al valore ottimale regolandola portata d’aria in proporzione alla portata di combustibile.
• La misura automatica dell’ossigeno nel gas esausti comandanormalmente un servomeccanismo che pilota la serranda diammissione dell’aria sul bruciatore.
• In funzione della velocità con cui fluttua la richiesta di calore,l’eccesso d’aria è controllato automatica- o manual-mente.
• Allorché l’eccesso d’aria viene ridotto, si possono formareincombusti (es. CO o particolato) che possono eccedere i limiti diemissione.
• Ciò limita la possibilità di aumentare l’efficienza energeticadiminuendo l’eccesso d’aria.
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1) PERDITE NEI FUMI
Combustibile
Aria
La portatadei gasesaustiaumenta, econ essa leperdite
Particolatoe CO neigas esausti
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ULTERIORI CAUSE DI PERDITE
POSSIBILI CAUSE
NON CORRETTA GEOMETRIA DELLA FIAMMA
OSTRUZIONE O USURA DEGLI UGELLI
VERIFICARE INOLTRE LO STATO DELL’ISOLAMENTONEL MANTELLO
E’ POSSIBILE RISCONTRARE INCOMBUSTI CON UNBRUCIATORE IMPOSTATO CORRETTAMENTE EDANCHE CON ELEVATO ECCESSO D’ARIA
1) PERDITE NEI FUMI
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1) PERDITE NEI FUMI
DOSAGGIO DELL’ARIA COMBURENTE:COMPOSIZIONE DEI GAS ESAUSTI
4 regimi di combustione:
1) stechiometrico1) stechiometrico
2) in eccesso d2) in eccesso d’’ariaaria
3) in difetto d3) in difetto d’’ariaaria
4) incompleto4) incompleto
si: CO2, H2O, N2, SO2
no: O2, combustibile, CO
si: CO2, H2O, N2, SO2, O2
no: comb., CO
si: CO2, H2O, N2, SO2, combustibile, CO
no: O2
si: CO2, H2O, N2, SO2, O2, combustibile, CO
no: _ _ _ _
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1) PERDITE NEI FUMI
EFFETTO DELLA TEMPERATURA DEI FUMI
Tfumi
Tacqua
K
S
Pt = K S ΔT!
Q1
= c f "Gf " Tf #Ta( )Le perdite nei fumi sono date da:Le perdite nei fumi sono date da:
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1) PERDITE NEI FUMI
SE LA POTENZA TERMICA SCAMBIATA È:
...LE CAUSE DI UNA ELEVATA Tf SONO:•LO SPORCAMENTO DELLE SUPERFICI DI SCAMBIOTERMICO (LATO FUMI E/O LATO ACQUA)
•IL NON CORRETTO ACCOPPIAMENTOBRUCIATORE-CALDAIA (BRUCIATORE TROPPOPOTENTE)
SE LA Tf NON PUÒ ESSERE DIMINUITA (ES. CALDAIEAD OLIO DIATERMICO) IL CALORE DEI FUMI PUÒPRERISCALDARE L'ARIA COMBURENTE
K S ΔT
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1) PERDITE NEI FUMI
Se i fattori K e S sono bassi, si possono adottarediverse strategie:
K: pulendo le superfici di scambio progressivamente ricoperte daincrostazioni carboniose (lato fumi) o da calcare (lato acqua),allo scopo di mantenere un’alta efficienza di scambio
K: incrementando il trasferimento di calore aumentando latrasmittanza (per es. installando turbolatori, o altri dispositiviche aumentano la turbolenza dei fluidi che si scambianocalore)
S: verificando che l’offerta di calore non ecceda la domanda. Ciòsi controlla pre es. diminuendo la potenza del bruciatore (es.installando un ugello meno potente (per combustibili liquidi), odiminuendo la pressione di ammissione (per combustibiligassosi)
S: aumentando o migliorando le superfici di scambio (difficoltosoda realizzarsi su generatori esistenti)
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TURBOLATORIPER IL MIGLIORAMENTO DELLA TRASMITTANZA IN CALDAIE A
TUBI DI FUMO
La potenza termica fornita è: Q = K !S !(Tfumi " Tacqua)
K dipende anche dalla turbolenza dei gas all’internodei tubi
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1) PERDITE NEI FUMI
Scheme of a combustion system with an air pre heater-APH
Effetti Cross-media Lo scambiatore recuperativo richiede in genere molto spazio Il ventilatore del bruciatore dovrà sopportare una maggior caduta di
pressione L’alimento di aria preriscaldata al bruciatore, che occupa maggior
volume, può causare problemi di stabilità della fiamma In generale, per ogni 20 °C di abbassamento della temperatura dei
gas esausti si può recuperare 1% di efficienza
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1) PERDITE NEI FUMI
!
Q1
= c f "Gf " Tf #Ta( )Le perdite nei fumi sono date da:Le perdite nei fumi sono date da:
La formula mostra che per perdite ed efficienza,la Tf dovrebbe essere la più possibile.
ugello di minor portata
diminuire l’ammissione di combustibile al bruciatore(es. diminuendo la pressione di alimentazione).
effetto benefico sull’efficienza
una temperatura dei fumi troppo bassa può dare gravi problemi di corrosione se il vapor d’acqua condensa su parti metalliche del generatore.
EFFETTO DI BASSA TEMPERATURA DEI FUMI
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Tracce di zolfo presenti nel combustibile brucianooriginando SO2. Questa, in presenza di particolaricatalizzatori, ossida ulteriormente ad SO3 la quale, inpresenza di vapor d’acqua, condensa ad acidosolforico.
Questo provoca la corrosione di componenti delgeneratore (di preferenza i condotti dei fumi ed ipreriscaldatori d’aria), costruiti in acciaio al carbonio.
L’uso di acciaio inossidabile o altre leghe èobbligatorio se si vogliono evitare simili problemi (es.caldaie a condensazione)
EFFETTO DI BASSA TEMPERATURA DEI FUMI
1) PERDITE NEI FUMI
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1) PERDITE NEI FUMI
Determinazione del Punto di Rugiada acido per gasolio
X
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2) PERDITE PER INCOMBUSTI
Quando al bruciatore si rende disponibile meno ariacomburente (e quindi Ossigeno) di quanta necessariaper una completa ossidazione, parte del carbonio nelcombustibile non partecipa alla combustione.
Una combustione incompleta è segnalata dallapresenza di CO e di particolato carbonioso nei fumi(per combustibili liquidi e solidi).
Se non viene aumentata l’aria di combustione, unaquota di energia viene dissipata sotto forma di COcaldo (suscettibile di ulteriore combustione) e/oparticelle incombuste.
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2) PERDITE PER INCOMBUSTI
Kc = costante funzione del tipo di combustibile:!
Q2
= KcCO
CO2
+ CO
!
%[ ]
Le perdite per incombusti possono essere calcolatetramite l’equazione della combustione:
CO, CO2 = Percentuale in volume di mono-biossido diCarbonio nei fumi
37,95950,5Kc
MetanoCarboneGasolio
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!
La formula: Q2 = KcCO
CO2 + CO
fornisce: Q2 = 37.91
9+1=3.79%
Esercizio
In una combustione di metano, l’analisi dei fumifornisce i seguenti valori:
CO2=9%
CO=1%
Valutare le perdite per incombusti.
2) PERDITE PER INCOMBUSTI
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PER DETERMINARE:- l’eccesso d’aria(misurando O2 e/o CO2)- presenza di incombusti- temperatura dei fumi
PER CONOSCERE- l’efficienza dicombustione
ANALISI DELLA COMBUSTIONE
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ANALISI DELLA COMBUSTIONE
Valori ottimali dei diversi parametri per diversicombustibili:
METANO GASOLIO
T. fumi(°C) 100-130 140-160
CO2(%) 9,7-10,5 12-14
O2 (%) 1,1-3 1,1-4
Eccesso d'aria(%) 5-20 5-25
Indice Bacharach 0 0-1
CO2,MAX
(%) 11,5 15
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Esercizio
Commentare i seguenti valori rilevati duranteun’analisi dei fumi (reale). Combustibile: metano
Caldaia 1 Caldaia 2
Fluido termovettore H2O calda Vapore
T. aria (°C) 30 20
T. fumi (°C) 110 230
O2 (%) 10,4 9,4
Eccesso d'aria (%) 98 81
CO2 (%) 5,9 6,5
CO (ppm) 87 13
Rendimento (%) 94 87,7
Perdite (%) 6 12,3
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3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO
• Le perdite per irraggiamente consistono nelle perditeradiative e per convezione da parte del mantello delgeneratore, che si trova sempre a temperaturasuperiore a quella dell’ambiente.
• Simili perdite non variano significativamente al variaredel carico termico: il mantello resta quasi sempre allastessa temperatura durante il servizio.
• Tuttavia, l’incidenza di simili perdite percentualmenteaumenta al diminuire del carico.
• Teoricamente, non ci sarebbero difficoltà nel calcolarequeste perdite tramite le formule dello scambiotermico. Tuttavia è più pratico utilizzare tabelle odiagrammi basati su dati sperimentali.
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3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO
generatore 30 MW
carico: 20 MW
perdite radiative = 0.9%
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Stato del generatore q3 (%) Ottimo, ad elevato rendimento 1,72 - 0,44 · log Pn Ottimo 3,45 - 0,88 · log Pn Obsoleto, mediamente coibentato 6,90 - 1,76 · log Pn Obsoleto, male coibentato 8,63 - 2,20 · log Pn Obsoleto, privo di coibentazione 10,35 - 2,64 · log Pn
Tabella tratta da norma UNI 10348q3: perdita percentuale per irraggiamento attraverso il mantelloPn: potenza nominale al focolare del generatore, in kW
3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO
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Energy Management
Risparmio di energia termica
Nino Di FrancoENEA UTEE-IND
Corso di formazione ed aggiornamentoprofessionale per Energy Managers-TrenitaliaBOLOGNA, 15-16 Giugno 2011