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UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
 Principi di combustione - Fondamenti

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15 Maggio 2008
G. Manfrida – A. Andreini
 Testi di Riferimento

I. Glassmann; Combustion
 S. Kuo: Combustion and flames
 Culp: Energy Conversion
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Definizione di combustione
 Da un punto di visto chimico-fisico la combustione è una reazione di ossidazione
fortemente esotermica. La reazione è accompagnata da emissione luminosa nel
campo del visibile (fiamme)
 Il combustibile è costituita da sostanze contenenti principalmente C e H (idrocarburi)
mentre la specie ossidante è in pratica sempre O2 (aria).

La reazione si sviluppa in ogni caso in fase gassosa.
 la miscela di gas può essere considerata una miscela di gas perfetti
 Nei processi reali, la combustione si realizza con tempi caratteristici dell’ordine
dei ms.
 Velocità di propagazione della fiamma dell’ordine dei m/s (inferiore alla velocità del
suono)
 E’ possibile classificare i processi di combustione in base alle caratteristiche del
campo di moto nel quale si sviluppano
 Combustione laminare
 Combustione turbolenta
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Combustibili
 La maggior parte dei combustibili tecnici sono di origine fossile, e derivano dalla
decomposizione di sostanze organiche (carboidrati, a base C-O-H), che con il
tempo tendono a perdere naturalmente il contenuto in acqua ed ossigeno per
dare origine ai combustibili fossili.
 Esistono anche combustibili derivanti da processi industriali (es. Gas d’altoforno,
RDF o CDR per Combustibile Derivato dai Rifiuti)
 è molto importante conoscere la composizione del combustibile soprattutto il tenore
di sostanze contaminanti dall’elevato impatto ambientale (zolfo, composti azotati,
metalli pesanti)
 E’ possibile classificare i combustibili in base a numerosi criteri
 campi di applicazione

destinazione di utilizzo (TAG, caldaie etc.)
 potere calorifico
 impiego terrestre o aeronautico, civile o industriale
 stato di aggregazione

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combustibili liquidi, solidi e gassosi
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Combustibili gassosi
 Trovano largo impiego sia in ambito civile che industriale
 semplicità nell’ottenere una combustione stabile e ad alta efficienza
 facilità di trasporto e pulizia negli apparati di combustione
 bassi tenori di contaminanti. Ridotto impatto ambientale
 Classificazione
 combustibili gassosi naturali

il più noto è il gas naturale, costituito prevalentemente di metano
 è largamente usato anche il GPL (Gas di Petrolio Liquefatto) ottenuto dalla distillazione
del petrolio e dalla purificazione del gas naturale; è costituito prevalentemente da propano
e butano
 Idrogeno
 combustibili gassosi artificiali

Pag. 4
sono ottenuti dai processi gassificazione di combustibili liquidi o solidi (olii combustibili,
carbone) o come sottoprodotto di altre lavorazioni (gas di coke o d’altoforno); hanno come
componenti principali H2 e CO
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Caratteristiche combustibili gassosi
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Combustibili liquidi
 Costituiscono la quota più rilevante fra i combustibili di interesse tecnico
 Sono ottenuti prevalentemente dalla lavorazione del petrolio greggio
 garantiscono generalmente combustioni estremamente efficienti
 facilità di stoccaggio e trasporto

scelta obbligata nell’ambito dei mezzi di trasporto
 le caratteristiche di pulizia e l’impatto ambientale sono fortemente dipendenti dal tipo di
combustibile
 Parametri di classificazione: densità, distillazione, punto di infiammabilità e
viscosità




Pag. 6
Benzine
Kerosene
Gasolio
Oli combustibili
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Caratteristiche combustibili liquidi
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Combustibili solidi
 Nel panorama mondiale il combustibile solido più usato in ambito industriale e civile è il
carbone
 estrema difficoltà nell’ottenere una combustione ad alta efficienza e ridotto impatto ambientale
 ulteriore complicazione dovuta alla formazione di residui solidi (ceneri)
 basso costo e larghissima disponibilità
 La classificazione dei carboni può essere effettuata seguendo numerosi criteri
(composizione chimica, origine petrografica, potere calorifico, umidità etc.)
 Combustibili solidi sono anche le biomasse di origine vegetale, i residui petroliferi
(“Petcoke”), sabbie e scisti bituminosi, e i combustibili derivanti dalla quota non riciclabile
del Rifiuto Solido Urbano (RSU)
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Caratteristiche combustibili solidi
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Combustibili - Densità
 La densità dei combustibili si esprime comunemente in kg/m3.
 La misura é diretta nel caso di combustibili liquidi.
 Nel caso di un gas – con composizione nota – si ricorre alla legge dei gas
perfetti misurando pressione e temperatura:
ρ
= p/(RT)
 Per i solidi é necessario distinguere la densità individuale della fase solida
(“Lump density”) da quella complessiva (“Bulk density”) del campione
 ρL
= (massa del solido)/(volume occupato dalla fase solida)
 ρB = (massa del solido)/(volume occupato dal campione)
 Le due diverse definizioni sono dovute alla presenza di spazi vuoti negli interstizi
tra le particelle, la cui entità dipende chiaramente dalla distribuzione
granulometrica della fase solida. Un metodo pratico per ricavare ρL é costituito
dalla pesata in successione del campione solido in aria ed in acqua. Dalla
differenza di peso é possibile ricavare il volume degli spazi interstiziali.
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Combustibili – Potere Calorifico -Definizioni
 Il potere calorifico (Heating Value) HV dei
combustibili
rappresenta l’energia chimica connessa all’unità di massa di
combustibile e si esprime in J/kg.
 La definizione termodinamica corretta é data dal calore che occorre
asportare dai prodotti della combustione completa dell’unità di
massa di combustibile per riportarli nelle condizioni iniziali dei
reagenti (p, T per sistemi aperti; V, T per sistemi chiusi). In base a
tale definizione operano i calorimetri, che sono gli strumenti di
laboratorio utilizzati per la determinazione sperimentale del potere
calorifico.
 Nel caso di gas o di miscele di gas é naturale riferire il potere
calorifico all’unità di volume; più propriamente si dovrebbe parlare di
Energy Density, espressa in MJ/m3.
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Densità e LHV di alcuni combustibili sintetici e naturali
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Termochimica di base – Elementi
 Frazione in massa yk, frazione molare xk (W massa molecolare) della generica
specie k:
(
mk ρ k
=
yk =
ρ
m
x k = nk
)
=  pk
Σn k 
yk   kg 

W = 1 ∑k =1 
 

W
k 

 kmol 
K
 = y ⋅ W
k
p
Wk
Massa molecolare della miscela
 Equazione di stato (gas perfetto) per la singola specie e Legge di Dalton:
pk =
ρ k RT
Wk
p = ∑k =1 pk
K
 Equazione di stato (gas perfetti) per la miscela di gas:
p=
Pag. 13
ρRT
W
 J

R = 8314.4 
 K ⋅ kmol 
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Richiami di termodinamica
 Energia interna ed entalpia:
h(T ) = u (T ) + p ρ = u (T ) + RT
u = u (T )
 u(T) e h(T) si ricavano, per i gas perfetti, tramite i calori specifici:
∂h
cp =
∂T
p
∂u
cv =
∂T
v
 Pertanto le espressioni generalizzate per entalpia e energia interna per unità di
massa sono:
T
h(T ) = ∫ c p dt
0
Pag. 14
T
u (T ) = ∫ cv dt
0
 kJ 
 kg 
 
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Elementi di Termochimica - 1
 Il calore (entalpia) standard di formazione di una sostanza, ∆Hof, è definito come il calore che
si sviluppa quando una mole di sostanza si forma dai suoi elementi, nei rispettivi stati standard:
P0=101325 Pa e T0=298.15 K.
 Per convenzione gli elementi hanno calore standard di formazione pari a zero.
 I calori di reazione/formazione negativi indicano reazioni che avvengono con rilascio di energia
(esotermiche), in base alla convenzione sul segno delle variabili energetiche comune nella
chimica (quantità uscenti negative).
C + O2 → CO2 – 394 MJ/kmol
 Il potere calorifico corrispondente é ricavabile dividendo il calore di reazione per il peso molecolare del
combustibile, nel caso di esempio:

HVC = - (-394)/12 = 32,83 MJ/kgC
 Richiamando la definizione di entalpia della generica specie k, per una generica T:
Entalpia della miscela
T
hk (T ) =
∫c
pk
dT + ∆h (298)
0
k
298
Entalpia fisica
Pag. 15
Entalpia di formazione o chimica
h(T ) = ∑k =1 yk hk (T )
K
sommatoria dei contributi di ogni specie
k dove yk è la loro frazione in massa e
K è il numero totale di specie
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Elementi di Termochimica - 2
 Una reazione chimica generica può scriversi nella forma:
ν a A +ν b B ↔ ν cC +ν d D
 Il Calore di Reazione corrisponde alla variazione di entalpia tra i prodotti C e D
ed i reagenti A e B:
∆H 0 = ν c ∆H 0f (C ) +ν d ∆H 0f ( D) −ν a ∆H 0f ( A) −ν b ∆H 0f ( B)
In cui si adotta segno “–” per i reagenti (entranti nel sistema) e “+” per i prodotti
(uscenti dal sistema).
 La legge di Hess afferma che il calore scambiato a volume o pressione
costante in una data reazione chimica è lo stesso se la reazione avviene in uno
o più stadi. Ciò significa che il calore scambiato in una reazione dipende solo
dagli stati iniziale e finale e quindi le equazioni termochimiche possono essere
sommate o sottratte tra loro come equazioni algebriche.
 Con la formula esemplificata, conoscendo i calori di formazione (tabelle JANAF) é
quindi possibile calcolare i calori di reazione.
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Termochimica - Esempio applicativo della legge di Hess
 La determinazione del calore standard di formazione del monossido di carbonio
risulta più complessa di quella dell'anidride carbonica, poiché durante la
combustione del carbonio in ossigeno od aria si ha la formazione di una miscela
molto più ricca di anidride carbonica CO2 che di monossido di carbonio CO.
Risulta invece più semplice fare riferimento al seguente processo ipotetico:
298.15
C( s ) + O2 →CO2
1 298.15
CO + O2 →CO2
2
− 394 MJ / kmol
− 284 MJ / kmol
Sottraendo i prodotti e i reagenti delle due equazioni, con semplici operazioni risulta:
1 298.15
C( s ) + O2 →CO
2
− 110 MJ / kmol
che rappresenta la reazione di formazione del CO, praticamente impossibile da
realizzarsi sperimentalmente in laboratorio.
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Calore di reazione – Potere calorifico
 Il calore rilasciato dalla generica reazione di combustione è pari a:
0R
 0P

h (TP ) − h (TR ) = − ∆h (298) − ∆h (298) 


P
s
R
s
Variazione entalpia sensibile
P – prodotti
R - reagenti
Calore rilasciato dalla reazione
 Per come è stata definita,, l’entalpia - somma del contributo sensibile e di formazione
- si conserva in una combustione adiabatica
 Il termine a destra nell’eq. precedente, riferito all’unità di massa del
combustibile, rappresenta il Potere Calorifico.
 Quando si considera l’H2O nei prodotti di reazione in fase aeriforme, si parla di
Potere Calorifico Inferiore (LHV]), altrimenti di Potere Calorifico Superiore (HHV).
 Nei combustibili tecnici, di interesse pratico, il potere calorifico viene calcolato
tramite, ad esempio, la formula di Dulong
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Calore di Reazione e Potere Calorifico - Esempio
 Combustione adiabatica del metano:
CH 4 + 2O2 → CO2 + 2 H 2O
 Entalpia di formazione reagenti:
 H0R=-74900
+ 0 =-74900 kJ/kmol di CH4
Entalpie di formazione delle
principali sostanze
kJ/kmol
 Entalpia di formazione prodotti (H2O vapore)
 H0P=-393500
+ 2 (-241800) = -877200 kJ/kmol di CH4
 Il calore rilasciato dalla reazione è pertanto:
 ∆H0=-802300
kJ/kmol di CH4
 Il potere calorifico inferiore del metano è pertanto:
 LHV
Pag. 19
=
∆H0/W
CH4=50134
kJ/kg
O2
gas
0
N2
gas
0
H2
gas
0
C
sol.
0
CO2
gas
-393.5E+3
H2O
gas
-241.8E+3
H2O
liq.
-285.8E+3
CH4
gas
-74.9E+3
C3 H8
gas
-103.8E+3
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Potere Calorifico – Formula di Dulong
Per la stima approssimata del potere calorifico (in particolare di quello superiore) di una sostanza
combustibile si può utilizzare la formula di Dulong (semplificata):
HHV= 33950 C+ 144200 (H - O/8) + 9400 S[kJ/kg]
Tale formula è riferita alla composizione in massa del combustibile (analisi finale).
Convenzionalmente nella formula di Dulong si assume che la presenza di ossigeno nel
combustibile sia legata alla specie H2O (umidità del combustibile), per cui è necessaria una
correzione sull'idrogeno in quanto una parte di questo risulta già legata all'ossigeno.
I termini numerici della formula di Dulong sono approssimativamente collegati ai calori di
formazione già visti, tramite il peso molecolare dell’elemento reagente:
33950 ≅ 32833 = 394000/12 (C + O2 → CO2
-394 MJ/kmol)
144200 ≅ 142978 = 242000/2,016 + 18,016/2,016*2442 (H2 + ½ O2 → H2O
9400 ≅ 9312 = 298000/32 (S+ O2 → SO2
Pag. 20
-298 MJ/kmol)
- 242 MJ/kmol)
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Temperatura adiabatica di fiamma
 In assenza di scambio termico con l’esterno (combustione
adiabatica), l’entalpia (fisica + chimica) si conserva.
 Il bilancio entalpico comporta:
0R
 0P

h (Tad ) − h (TR ) = − ∆h (298) − ∆h (298) 


P
s
R
s
0R
0P
h (TR ) + ∆h (298) = h (Tad ) + ∆h (298) = cos t
R
s
P
s
 Nota la temperatura dei reagenti, e supponendo una
combustione completa, la temperatura raggiunta dai prodotti di
reazione viene detta temperatura adiabatica di fiamma Tad
 Tad è funzione della temp. iniziale e della pressione, nonché del
rapporto effettivo aria/combustibile
 Tad non tiene conto del reale meccanismo di reazione, ed è
pertanto una grandezza ideale
Pag. 21
Temp. adiabatica di fiamma
per alcune miscele in
condizioni stechiometriche a
partire dallo stato standard
K
CH4/ Aria
2222
H2/ Aria
2380
C2H2/ Aria
2523
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Equilibrio chimico - Definizione
 Lo stato di equilibrio chimico di una reazione, implica la costanza delle quantità di
reagenti e prodotti nel tempo
 Il sistema è in equilibrio dinamico

N2+O2↔2NO all’equilibrio vede una ugual produzione, nell’unità di tempo, di N2, O2 in un senso e di NO
nell’altro
 Ricordando il concetto di Energia libera di Gibbs (G=h-Ts), e l’enunciato del 2° principio
della termodinamica, si può affermare che ogni sistema evolve spontaneamente verso la
condizione di equilibrio alla quale compete il minimo valore di energia libera di Gibbs
 La temperatura e la composizione all’equilibrio dipendono, unicamente, dalla composizione,
dalla temperatura e dalla pressione iniziali
 La costante di equilibrio di una reazione, dipendente unicamente dalla temperatura, permette di
stabilire quanto lo stato finale è spostato verso i reagenti o verso i prodotti
 La costante di equilibrio da sola non è sufficiente a determinare la composizione all’equilibrio
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Equilibrio chimico - effetti
 La temp. adiabatica di fiamma NON coincide con la temperatura di equilibrio
 La temperatura di equilibrio tiene conto dei fenomeni di dissociazione che occultano
parte del calore di reazione, ed è quindi inferiore alla Tad
Reazione
Composizione all’equilibrio
di una fiamma propano-aria
(Tad = costante)
Pag. 23
Temperatura, K
CO2↔CO+ ½O2
1930
H2O↔ ½H2+OH
2080
H2O↔ H2+½O2
2120
H2↔2H
2430
O2↔2O
2570
N2↔2N
3590
Principali reazioni di dissociazione nei
processi di combustione con aria e
indicazione della temperatura alla quale si
ha una dissociazione dell’1%
Confronto fra Tad e T di
equilibrio
(Tad e rapp. Equivalenza
variabili)
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Stechiometria – Elementi - 1
 Dalle reazioni di ossidazione di C, H, S si può ricavare la massa di ossigeno necessaria
per l’ossidazione completa. Ad esempio, con riferimento al carbonio:
1 kmole C + 1 kmole O2 = 1 kmole CO2
in termini di unità di massa, ricordando i pesi molecolari delle singole sostanze:
12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2
Ogni kg di C richiede per la sua ossidazione completa a CO2 32/12 = 2.67 kg di
ossigeno.
 Pertanto, dall’analisi elementare di un combustibile si può calcolare la massa minima di
ossigeno comburente, aggiunto dall’esterno, strettamente necessaria per la combustione
completa dell’unità di massa del combustibile, che si indica con MO2s e prende il nome di
rapporto stechiometrico ossigeno/combustibile:
MO2s = 2.67 C + 8 H + S – O
[kgO2/kgcombustibile]
C, H ed S sono le frazioni in massa degli elementi di carbonio idrogeno e zolfo nel
combustibile

Esempio metano – CH4
MO2s_metano = 4.0025 [kgO2/kgcombustibile]
– C = 1x12/16 = 0.75
– H=4x1/16 = 0.25
Pag. 24
Nella formula O è la frazione in massa di ossigeno nel combustibile (combustibili
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Stechiometria – Elementi - 2
 In generale nei processi di combustione non si utilizza ossigeno puro, ma aria. Il rapporto
stechiometrico aria/combustibile si può ricavare da MO2s, tenendo presente che la
frazione di massa dell’ossigeno nell’aria atmosferica secca è 0.233 kg O2/kga
αS = MO2s/0.233
– Per il metano (CH4) si ha αS=17.23
 Per un generico idrocarburo CxHy, in condizioni stechiometriche, la reazione di
combustione completa può scriversi:
y
y
y


C x H y +  x + (O2 + 3.773 ⋅ N 2 ) → xCO2 + H 2O +  x +  ⋅ 3.773 ⋅ N 2
4
2
4


dove 1/3.773 è il rapporto molare O2/N2 nell’aria standard (in volume: 21% O2, 78% N2 e
1% gas nobili), per la quale risulta un peso molecolare medio di WAir=28.96 [kg/kmol]
 E’ quindi possibile valutare il rapporto stechiometrico aria combustibile anche a partire
dalla seguente espressione:
 m
α S =  air
 mC H
 x y
Pag. 25
 
 =x+
 
S
WAir
y
 ⋅ (1 + 3.773) ⋅
4
WC x H y
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Stechiometria – Elementi - 3
 La composizione nominale della miscela reagente viene spesso espressa
mediante il rapporto di equivalenza:
 m 
 air 
 mC H 
α
x y 
S
= S
φ=
α
 m 
 air 
 mC H 
 x y
φ>1 miscele ricche
φ=1 miscele stechiometriche
φ<1 miscele magre
 Per garantire la completa ossidazione del combustibile, nei comuni processi di
combustione la massa di aria è quasi sempre superiore al valore stechiometrico
(α>αS)
 Si definisce Eccesso d’aria il coefficiente adimensionale:
ε = [α – αs ]/ αs
 Tramite α e ε è possibile valutare:
 Massa totale dei gas di scarico per unità di combustibile (R – frazione di ceneri
solide)

Pag. 26
Mf = α + 1 – R = (1+ε) αs + 1 – R [kgg / kgcombustibile]
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Rendimento di combustione
 Come ogni processo reale, la combustione non presenta efficienza
unitaria.
 il rendimento di combustione ηb è definito come il rapporto fra la variazione
di entalpia fisica (prodotti – reqagenti) effettivo e quello massimo ottenibile
da una combustione completa nella quale i gas lascino il sistema a T=Tad
 il
massimo salto di entalpia fisica coincide con il potere calorifico inferiore
ηb
 anche
(
1 + α ) ⋅ (hsP (T ) − hsR (TR ) )
=
LHV
in condizioni di equilibrio e di perfetta adiabaticità del sistema si ha sempre
ηb<1. Nei comuni campi di impiego ηb≈98-99%
Pag. 27
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Cinetica chimica – 1
 Nelle condizioni tipiche dei processi di combustione, non si ha a
disposizione un tempo sufficiente per il raggiungimento delle
condizioni di equilibrio
 tempo di residenza tipico di un combustore per TAG inferiore a 20-30 ms
 Tempo tipico della combustione in un MCI 1 – 3 ms
 l’equilibrio completo del sistema richiede tempi prossimi al secondo
 risultano
lontane dall’equilibrio soprattutto alcune specie chimiche inquinanti
(ossidi d’azoto)
 Una corretta valutazione dei processi di combustione richiede
pertanto un’analisi di tipo cinetico
 L’analisi mediante la cinetica chimica è indispensabile nello studio dei
processi di formazione delle principali sostanze inquinanti (ossidi d’azoto,
monossido di carbonio)
 L’analisi cinetica dei processi di combustione richiede la definizione di
opportuni meccanismi di reazione che descrivano la reattività del sistema
 Lo
studio si basa in gran parte sulla sperimentazione che consente spesso di
ricavare i parametri fondamentali per simulare poi la situazione reale.
Pag. 28
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Cinetica chimica – 2
La cinetica chimica viene studiata come un caso più generale dell’equilibrio; in sostanza, la reazione
generica viene studiata nei due versi, associando (nelle condizioni operative (T, p, φ, irraggiamento)
opportune velocità di reazione che indicano la rapidità con la quale i reagenti si trasformano in prodotti:
a)Reazione diretta (Forward)
ν a A +ν b B → ν cC +ν d D
b)Reazione inversa (Backward)ν c C + ν d D → ν a A + ν b B
L’equilibrio si ha quando la velocità della reazione inversa eguaglia quella della reazione diretta (in
queste condizioni, la composizione delle specie A, B, C e D non cambia nel tempo).
Velocità di reazione (variazione nel tempo della conc. molare della specie A).
La velocità di reazione risulta funzione della
concentrazione dei reagenti, della temperatura ed in
genere della pressione. Gli esponenti α e β definiscono
l’ordine della reazione (α + β).
Il termine KFA (costante cinetica) dipende dalla temperatura. Si fa generalmente riferimento al:
dC A
K FA C αA C Bβ
=
ω FA =
dt
Modello di Arrhenius 
 Le
K FA = Af T β e
Ea
−
RT
A – fattore di frequenza
β - esponente di T
Ea – energia di attivazione
tre grandezze sono costanti caratteristiche della reazione. L’energia di attivazione Ea
rappresenta l’energia che è necessario fornire per provocare la compenetrazione delle atmosfere
elettroniche dei reagenti, con la conseguente formazione di un complesso attivato.
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Sezione di Macchine
Cinetica chimica – 3
 Per un sistema chiuso contenente inizialmente un numero dato di moli di reagenti, all’inizio la
velocità della reazione inversa è molto bassa, perché le concentrazioni delle specie C e D (prodotti)
sono ridotte; con il passare del tempo diminuisce la concentrazione dei reagenti (A e B) ed aumenta
quella dei prodotti, fino a che le velocità di reazione (diretta ed inversa) diventano uguali e la
concentrazione di A non cambia più: si è quindi raggiunto l’equilibrio chimico.
KTA è la costante di equilibrio per le
concentrazioni, in genere funzione di
FA
A B
p e T. Essa risulta dal rapporto delle
FA
FA
BA
TA
γ δ
costanti cinetiche delle due reazioni,
C D
BA
ed inversa.
Generalmente si esprime la costante in funzione delle pressionidiretta
parziali.
Applicando la legge di
ω

= ω − ω
= 0.0
α
β
K
C C
= = K
C C
K
Dalton:
KTA
νc
νd
PC PD
K=
PA P
PAν a PBν b
(ν C +ν D −ν A −ν B )
KpA = KTA solo se νc+ νd = νa+ νb, ovvero se il numero di
moli totali non cambia tra reagenti e prodotti. In tal caso
la reazione risulta insensibile alla pressione (e sensibile
solo alla temperatura).
 Se il numero di moli dei prodotti νc+ νd risulta inferiore a quello dei reagenti νa+νb la reazione
risulta favorita dall’aumento della pressione (la volumetria dei prodotti si riduce rispetto ai
reagenti).
 Se il numero di moli dei prodotti νc+νd risulta superiore a quello dei reagenti νa+νb la reazione
risulta sfavorita dall’aumento della pressione (la volumetria dei prodotti aumenta rispetto ai
reagenti).
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Fiamme
 La fiamma è il processo termo-fluidodinamico in cui si sviluppa la reazione di
combustione
 La reazione di combustione può svilupparsi solo in presenza di una miscelazione a
livello molecolare dei reagenti

è possibile classificare le fiamme in base alle modalità con cui aria e combustibile vengono
preparati al processo di combustione
– ulteriore suddivisione in base al regime di moto (laminare o turbolento)
 Fiamme premiscelate
 fiamme che si sviluppano a partire da miscele omogenee aria combustibile

sono realizzabili solo con combustibili gassosi o liquidi (con preventiva evaporazione)
 Fiamme non premiscelate (o diffusive)
 aria e combustibile vengono immessi nell’ambiente di reazione in correnti distinte e il
processo di miscelazione si realizza contestualmente all’evento reattivo
 Fiamme parzialmente premiscelate (o ibride)
 la fiamma si sviluppa solo parzialmente a partire da miscele omogenee aria
combustibile
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Campi di applicazione
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Fiamme premiscelate - 1
 Fronte di fiamma
 idealmente è la superficie che delimita la
miscela fresca dai gas combusti
fronte di fiamma
miscela fresca
gas combusti
 la
velocità con cui il fronte di fiamma tende
a risalire verso la miscela fresca è detta
velocità di propagazione della fiamma SF
Vref
SF
 il
valore di SF dipende dal regime di moto
ed è influenzato dalle caratteristiche
termochimiche della fiamma
(composizione, temperatura, pressione)
 Per avere una fiamma stabile occorre
garantire l’equilibrio fra la velocità della
miscela fresca e la velocità di fiamma
 la
realizzazione di una combustione stabile
è l’aspetto più critico delle fiamme
premiscelate
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Regime laminare
SF<2 m/s
Regime turbolento
SF=5-15 m/s
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Fiamme premiscelate - 2
 Esempio pratico – Bruciatore (“Becco”) Bunsen
 Usato in numerose applicazioni; in esso si convoglia
unicamente il combustibile, e l’apporto del comburente
avviene per trascinamento viscoso (“Entrainment” dell’aria
esterna).
Determinazione della
posizione del fronte di
fiamma conico
Distribuzione di reagenti, prodotti e
temperatura attraverso il fronte di fiamma
 In caso di regime turbolento il
fronte di fiamma viene alterato
dalla presenza di vortici
 Aumento della reattività
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δL<<δV
δV<<δL
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Fiamme non premiscelate (diffusive) - 1
 Non si individua un fronte di fiamma distinto
 la reazione di combustione si realizza contestualmente al
processo di miscelazione dei reagenti

diversamente dalle fiamme premiscelate la reazione è
interessata da un vasto range di composizioni e
temperature
 La composizione della miscela al momento della reazione è
sostanzialmente indipendente dal rapporto ariacombustibile complessivo, e dipende dalle caratteristiche
fluidodinamiche della fiamma
 la forma della fiamma è descritta dal luogo dei punti che
presentano composizione stechiometrica (φ=1)
– Nel caso del semplice getto laminare di combustibile in
atmosfera ossidante, il fronte di fiamma assume la tipica
conformazione a candela
 Le fiamme diffusive presentano generalmente migliori
doti di stabilità rispetto alle fiamme premiscelate

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il parametro geometrico caratteristico è in questo caso la
lunghezza della fiamma
Zˆ =
YF − YF2
YF 1 − YF2
frazione di miscela
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Fiamme non premiscelate (diffusive) - 2
 Le fiamme diffusive interessano la gran parte dei dispositivi che operano con
combustibili liquidi o solidi
 La combustione dei liquidi richiede che nel bruciatore venga realizzata l’atomizzazione,
ovvero la riduzione del liquido in goccioline di piccolo diametro (~µm), che devono
evaporare prima della combustione. L’atomizzazione può essere semplicemente per
pressione, ma spesso – per ottenere risultati migliori in termini di finezza e di omogeneità
di distribuzione dimensionale – é assistita da aria o vapore, o realizzata mediante
dispositivi meccanici  atomizzatori.
 La combustione dei solidi dipende moltissimo dalle loro caratteristiche : la pezzatura, le
proprietà delle ceneri (temperatura di fusione), la modalità superficiale di combustione
(con crosta solida o “caking” o friabile), l’umidità, il contenuto di sostanze volatili (che
vengono liberate per pirolisi prima dell’effettiva combustione, e bruciano superiormente
nel “freeboard”),.......
Tra i dispositivi più versatili le “Griglie”, che possono essere di vario tipo: fisse (“Stoker”), a settori,
a catena o nastro, rotanti, .... Sono adatte per carboni (in particolare la lignite), ma anche per
legno, rifiuti e CDR,...
 Per potenzialità elevate e combustione di carbone la soluzione più diffusa sono i bruciatori a
polverino (finemente macinato , 50-200 mesh, e trasportato dall’aria primaria adeguatamente
compressa, riscaldata e distribuita).

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Bruciatori per combustibili liquidi - Esempi
Bruciatore per liquidi a lancia con miscelazione sulla testina.
Bruciatore per liquidi a coppa rotante
(potenzialità medio/basse).
Pressure swirl atomizer per turbogas
AirBlast atomizer per turbogas
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Bruciatori per combustibili solidi - Esempi
L’aria secondaria é immessa
sopra la griglia (“Overfire”)
Griglia
L’aria primaria é immessa da sotto la
griglia (“Underfire”)
Bruciatore a polverino
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Dispositivi alternativi per la combustione di solidi

Le principali alternative alla combustione su griglia od ai bruciatori a polverino, per i solidi, sono
rappresentate da:
a)
b)
c)
d)
Combustione in letto fluido (bollente o circolante)
Gassificazione con letto fisso, fluido o trascinato
Forno a tamburo rotante
Torcia a plasma (con combustione in ossigeno)
Schema di gassificatore a letto fluido bollente.
Pag. 39
Il bruciatore del tipo “Cyclone furnace” si presta per
applicazioni di media potenzialità con necessità di scarico
delle ceneri allo stato fuso (es. Carboni con ceneri a bassa
Temperatura di fusione; residui industriali che necessitano di
produzione di scorie fuse da vetrificare con raffreddamento
per quench;.....)
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Sezione di Macchine
Emissioni inquinanti
 Sostanze incombuste
 prevalentemente CO ed UHC(Unburned HydroCarbons)
 comuni a tutti i dispositivi di combustione
 emissioni generalmente contenute nei dispositivi ad alta efficienza
 idrocarburi UHCresponsabili dello smog fotochimico (insieme ad Ozono)
 Ossidi d’azoto, NOx
 Sono originati:
 per ossidazione dell’azoto atmosferico ad alte temperature
 Per ossidazione parziale dell’azoto legato all’interno del combustibile (Fuel NOx)
 A seguito di meccanismi cinetici di ossidazione in zone a bassa reattività della fiamma
(Prompt NOx)
 comuni a tutti i dispositivi di combustione con aria
 NO2 fortemente tossico
 colore bruno, smog cittadino, pogge acide, smog fotochimico (Insieme ad Ozono)
 Ossidi di Zolfo (limitati ai combustibili solforati)
 Particolato solido (di forte rilievo per i combustibili solidi e liquidi)
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Sezione di Macchine
Unità di misura e regolamentazione
 Normalizzazione delle emissioni
(21 − OR )
E=
⋅ EM
(21 − OM )
EM – emissione misurata
OM – tenore % di ossigeno rilevato nei gas di scarico
OR – tenore % di ossigeno di riferimento (esempio 15% per i turbogas)
 Unità di misura
unità
volumetriche
ppm =
kmol e
⋅ 10 −6
kmol tot
ppb =
kmol e
⋅ 10 −9
kmol tot
We
mg
ppm
=
⋅
24.47
unità di Nm 3
We
massa µg
ppb
=
⋅
Nm 3
24.47
Normalmente vengono riferite
alla massa di gas secchi
(ottenuti detraendo il
contenuto di vapore acqueo)
 Normativa nazionale italiana (turbine a gas)
 monossido di carbonio
 ossidi d’azoto
Pag. 41
100
mg
3
Nm vd
(~90 ppm@15% O2 )
400-450
mg
3
Nm vd
(~330-370 ppm@15% O2 )
A livello regionale vige, di
fatto, il principio della
“miglior tecnologia
disponibile”
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Sezione di Macchine
Limiti di infiammabilità
 Si riferiscono ad una miscela aria-combustibile omogenea in quiete
 Per la maggior parte dei combustibili si hanno i seguenti valori limite:
 φ=0.5 weak limit (miscele magre)
 φ=3.0 rich limit (miscele ricche)
 Estrema sensibilità alla pressione
 Specialmente il rich limit tende ad aumentare nel range 10kPa – 5 MPa
 Un aumento della Temperatura allarga il campo di infiammabilità
anche se in misura minore della pressione
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Sezione di Macchine
Stabilità della combustione
40 --
 Stabilizzazione del processo di combustione
 Nei sistemi energetici caratterizzati da combustione stazionaria a
pressione costante (TAG e caldaie) devono essere garantite
opportune condizioni fluidodinamiche per l’ancoraggio e la
stabilizzazione della fiamma
 Campi di moto interessati da vaste zone di ricircolazione



30 --
20 --
10 --
aumento del tempo di residenza effettivo nella zona di reazione
|
|
|
|
ricircolazione dei gas caldi sulla miscela fresca per sostenere la
0.5
1.0
1.5
2.0
reazione
air mass flow kg/s
Realizzazione
Esempio di curva di stabilità di una TAG: in funzione
– Corpi non aerodinamici
di portata d’aria, T e P, la curva varia con la
– Swirler
dimensione caratteristica del combustore
– Porous plates
Disposizione iniettori in una caldaia
Pag. 43
α
BluffBody burner
Campo di moto in un tipico combustore di TAG