Generatori di calore

Generatori di calore
Il generatore di calore a combustibile
I generatori di calore
più usuali sono le
Superficie di Confine
del Sistema
caldaie. In esse un
Fumi
combustibile solido,
Combustibile
Calore disperso
ECH
Aria comburente
QD
Generatore di calore
fatto reagire con
l’ossigeno contenuto
QF
Fluido
in uscita
Fluido in ingresso
liquido o gassoso viene
nell’aria atmosferica. Da
tale reazione chimica di
ossidazione viene
prodotto calore e
prodotti gassosi di
combustione (fumi)
La combustione
Il metano CH4, in presenza di O2, fornisce la seguente
reazione:
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + calore
in cui CO2 e H2O sono i prodotti della combustione.
Nell’aria è presente anche l’azoto N2, che non interviene
nella reazione: per ogni volume di O2 sono presenti 7,52
volumi di altri gas (prevalentemente N2). La reazione
diviene:
CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 + calore
ovvero in totale 9,52 m3 di aria per ogni m3 di metano.
I combustibili
Combustibile
Densità ρ [kg/ m3]
Potere Calorifico Inferiore [MJ/
kg]
propano
2,02 *
46,35
metano
0,717 *
50,2
gasolio
880,0
42,9
cherosene
790,0
43,5
benzina
740,0
44
olio combustibile
900 ÷ 1000
38,5 ÷ 44,6
torba
400,0
12,3
lignite
720,0
14,4 ÷ 20,9
legna
400,0 ÷ 1100,0
10,7
Tabella 1: Caratteristiche di alcuni combustibili [* kg/mN 3]
Il potere calorifico inferiore (Pci) definisce la quantità di
calore liberata durante una combustione completa, quando
l'acqua che si viene a formare è sotto forma di vapore.
Il potere calorifico superiore (Pcs) definisce la quantità di
calore liberata durante una combustione completa, incluso il
calore latente di evaporazione contenuto nel vapore acqueo
dei gas di combustione.
Il processo di combustione è il maggiore produttore di
particolato (air pollutants)
5 categorie di inquinanti:
a) Prodotti di una combustione incompleta:
Aerosol combustibili (solidi e liquidi), incluso fumo;
monossido di carbonio, CO;
idrocarburi gassosi
b) Anidride carbonica, CO2
c) Ossidi di Azoto (NOx)
monossido NO
d) Emissioni da combustibili contaminanti:
ceneri;
metalli
ossidi di Zolfo (SO2, SO3)
e) Emissioni risultanti dagli additivi
La produzione di NOx varia con il tempo di permanenza dei gas
combusti nel campo delle elevate temperature, con la temperatura
della fiamma e con la pressione di O2 nella zona di reazione (meno
O2 meno NOx)
L’emissione di CO varia tra 13 – 17 mg/MJ di energia inviata al
generatore
L’emissione di particolato tra 2,2 – 2,6 mg/ MJ
Una caldaia "tipo" è composta da: bruciatore, camera
di combustione, scambiatore di calore, sistemi di
controllo e sicurezza.
Potenza al Focolare (Pf)
Questa potenza è data dal prodotto del potere
calorico inferiore del combustibile impiegato e della
portata di combustibile [kW].
Potenza Termica Utile (Pn)
Questa potenza è data dalla quantità di calore
trasferita dal focolare al liquido circostante [kW].
Rendimento Termico Utile
È il rapporto tra la potenza termica utile e la potenza
termica al focolare [-].
In funzione
Spento
Rendimento della caldaia
Q& N = Potenza utile della caldaia
Q& S = Potenza dispersa dal rivestimento (caldaia in funzione )
Q& A = Potenza dispersa dai fumi
= Potenza al focolare = H ⋅ B
Q&
Br
u
B = portata oraria di combustibile [m 3 / h]
H u = potere calorifero del combustibile [kWh / m 3 ]
Q&
η = N
Q& Br
Rendimento caldaia a condensazione
 H s − Hi

 q A − qS 
+
⋅
α



 100 
 Hi

A
= (θ A − θ L ) ⋅ ( 1 ⋅ B)
CO2
ηk = 1 − 
qA
θA = temperatura dei fumi;
θL = temperatura aria;
A1, B = fattori di combustione;
α = indice di condensazione
(quantità di acqua di condensa/quantità teorica)
CO2 = concentrazione di anidride carbonica;
qA = dispersione dei gas di scarico
qS = dispersioni per irraggiamento
Hi = potere calorifero inferiore;
Hs = potere calorifero superiore
Il generatore di
calore:
teste di
combustione
Bruciatori atmosferici o ad aria aspirata.
Sono quelli in cui tutta o parte dell’aria necessaria alla
combustione è trascinata, in miscelazione, dal gas che esce
dagli ugelli.
Questa è detta aria primaria; la parte restante di aria, detta
aria secondaria, normalmente esistente, per completare la
combustione viene aspirata in caldaia per effetto del tiraggio.
Questi bruciatori sono strettamente legati alle caratteristiche
del focolare come forma, dimensioni, ecc. per cui debbono
essere progettati per l’adattamento ad ogni tipo di caldaia
ed in pratica ne diventano parte integrante.
Bruciatori ad aria soffiata.
In essi l’aria totale necessaria alla combustione del gas viene
fornita, sotto pressione, da un ventilatore: il loro
funzionamento è relativamente indipendente dal tipo di
focolare se non per quanto riguarda la sua pressurizzazione.
Sono le classiche macchine propriamente definite
bruciatori.
Dal punto di vista costruttivo si distinguono le seguenti parti
principali:
- parte ventilante, con il ventilatore mosso dal motore
elettrico ed il convogliatore dell’aria verso la testa;
- circuito del gas, con la tubazione che porta il gas alla testa
e gli organi di controllo e intercettazione (pressostato,
elettrovalvole....);
- testa di carburazione, per la miscelazione gas/aria, lo
stabilizzatore della fiamma e gli elettrodi di accensione e
controllo;
- gli organi di controllo e sicurezza, come l’apparecchiatura
elettrica, il pressostato dell’aria ecc.
Tipi di funzionamento
A seconda del tipo di funzionamento i bruciatori possono
essere monostadio, multistadio, modulanti.
-Monostadio sono del tipo tutto/niente (on/off) e cioè ad un
regime di fiamma, portata max/spento.
Multistadio sono a due o più stadi di potenza, del tipo
tutto/poco e cioè portata max/portata parziale/spento.
- Modulanti sono a potenza variabile tra il minimo e
massimo e cioè portata max/portata intermedia
variabile/spento.
Bruciatori ceramici
Bruciatori ceramici
Materiali
Schiuma di carburo di Silicio e una struttura mista di fibre di
Al2O3, schiuma di ZrO2 e strutture di C/SiC.
Questi materiali possono essere usati fina a 1650°C
In alcune applicazioni posso usare leghe di Fe- Cr- Al e Nichel
La Zirconia resiste fino a 2300°C
le leghe metalliche fino a 1250 °C
Il generatore di
calore:
caldaia a
basamento,
gruppi termici
Tipologie di generatori
- Caldaia standard: la temperatura media di esercizio è limitata
dalla tipologia costruttiva;
- Caldaia a bassa temperatura: possono funzionare in modo
continuativo ad una temperatura di ingresso di 35 – 40 °C (può
avvenire la condensa nei gas di scarico)
- Caldaia a condensazione: sono realizzate per realizzare e
sfruttare la condensazione del vapore acqueo dei gas di scarico
La marchiatura CE delle caldaie a bassa temperatura e a
condensazione è subordinata a soddisfare il rendimento minimo
alla potenzialità massima utile o a carico ridotto (30%)
Rendimento minimo secondo la Direttiva Europea 92/42 CEE
Con le caldaie a bassa temperatura di tipo convenzionale, le superfici
di scambio termico devono essere realizzate in modo da evitare la
condensazione dei gas di combustione nella caldaia. Il discorso cambia
per le caldaie costruite in funzione dell'utilizzo della tecnica della
condensazione.
Scarico condensa
I gas di combustione
vengono convogliati
verso il basso, in
prossimità dell'attacco
di ritorno.
Nelle caldaie a bassa temperatura, devo evitare la condensa dal
lato fumi.
La temperatura superficiale del tubo a contatto con il gas è
determinata dalla temperatura dell’acqua.
Più elevata è la resistenza dello strato di tubo a contatto tra
acqua e gas, più elevata è la differenza di temperatura.
Più passaggi di fumi
diminuisco la temperatura dei gas
rischio condensa 
Devo dosare
lo scambio termico
Le superfici di scambio sono ad un solo strato.
La differenza di temperatura tra fumi ed acqua di ritorno in
caldaia è di soli 5 – 15 K.
L’acqua di condensa è fatta defluire verso il basso per evitare
concentrazioni acide dovute al rievaporare della condensa stessa
Scambio termico in regime laminare
Schema della tecnica di condensazione
P
P
Più basse sono le temperature di ritorno più alto è il recupero
(maggiore è la condensazione).
E’ necessario non favorire l’aumento della temperatura di ritorno.
Nota:
È auspicabile l’impiego di circolatori modulanti che
adattano la portata di acqua ai requisiti del sistema
Bollitore per H2O sanitaria
Equilibratore idraulico
La potenza termica di progetto
Q& caldaia = [Q& tras + Q& ric ] ⋅ b + Q& H 2O
Q& tras= potenza termica dispersa per trasmissione dall’involucro riscaldato
(pareti opache e trasparenti, ponti termici,…) [W];
Q& ric
= potenza dispersa per il ricambio dell’aria dovuto alle infiltrazioni [W];
tale potenza può essere determinata con la seguente espressione:
Q& ric = 0,34 n* ⋅ V
b
⋅ (θint – θext)
V = volume della zona riscaldata [m3];
θint = temperatura dell’aria interna di progetto [°C];
θext = temperatura dell’aria esterna di progetto [°C];
n* = numero di volumi all’ora ricambiati [h-1]
= coefficiente di maggiorazione dovuto a intermittenze nel
funzionamento, transitori,…[-].
Si può porre b = 1,4 per l’Italia del Centro - Nord e b = 1,5 per l’Italia meridionale.
Una valutazione di massima.
Carichi termici invernali
Utenza generica
10 – 15 W/m3
Uffici
12 W/m3
Ospedali
25 – 30 W/m3
Residenze
10 W/m3
Scuole
16 W/m3
Infiltrazioni
2 – 4 W/m3
Potenza termica generatore 25 – 30 W/m3
L’acqua calda per uso sanitario
n ⋅ c ⋅ ρ ⋅ G ⋅ (t ea − t a )
Q& H2O =
η ⋅ 86 400
n = numero di persone che usufruisce del servizio;
c = calore specifico dell’acqua = 4186,8 J/( kg K);
ρ = densità dell’acqua =1000 kg/ m3;
G = consumo medio giornaliero a persona (in un’abitazione
∼ 0,080 – 0,150 m3);
tea = temperatura di erogazione (∼ 45 °C);
ta = temperatura dell’acqua proveniente dall’acquedotto (∼
15°C);
η = rendimento del generatore di acqua calda.
Calore per la produzione di acqua calda
Qw = ρ c Vw (θw – θ0) ngg
Volume giornaliero
[l / giorno]
d’acqua calda
richiesta
Per edifici
residenziali:
Vw = mw S fbagni
Temperatura
dell’acqua entrante
nel sistema di
produzione
Temperatura dell’acqua
calda prodotta (standard =
40°C-45°C)
Superficie lorda
Fabbisogno specifico m’w
Q’w
[l/(m2 gg)]
[MJ/(m2 gg)]
S < 50 m2
3
0,314
50 ≤ S < 120 m2
2,5
0,262
120 ≤ S < 200 m2
2,0
0,210
S ≥ 200 m2
1,5
0,157
Numero bagni Fattore fbagni
1
1
2
1,33
3 o più
1,66