Fisica Tecnica
LA COMBUSTIONE
Combustione
Le sorgente termica più comune, che rende disponibile calore a temperatura superiore a
quella ambiente per il funzionamento di macchine termiche ed in generale per vari processi
industriali, è il processo di combustione, vale a dire reazioni chimiche esotermiche di
ossidazione dalle quali si ottengono prodotti di reazione ad elevata temperatura.
Un processo di combustione coinvolge due sostanze: il combustibile, che contiene gli
elementi che vengono ossidati, ed il comburente, l’ossigeno, in generale come componente
della miscela aria.
I combustibili di interesse tecnico possono essere in forma solida, liquida o gassosa.
L’analisi chimica permette di individuare la composizione del combustibile ed in generale gli
elementi ossidabili nei combustibili tecnici sono essenzialmente l’idrogeno, il carbonio e lo
zolfo.
Le reazioni chimiche elementari per l’ossidazione completa di questi elementi sono le
seguenti:
carbonio
C + O2 → CO2
-394
MJ/kmol (1)
idrogeno
H2 + ½ O 2 → H2O
-242
MJ/kmol (2)
zolfo
S + O2 → SO2
-298
MJ/kmol (3)
Ad ogni reazione è stato associato il calore standard di reazione, ∆h°f, che è negativo per
reazioni esotermiche (rilascio di calore al sistema) in base alla convenzione comune nella
chimica. Trattandosi di reazioni elementari (cioè che coinvolgono elementi), i calori di
reazione sono anche detti calori di formazione, e sono noti e tabulati per tutte le specie di
interesse tecnico.
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LA COMBUSTIONE
Combustione
Dalle reazioni (1) (2) e (3) si può ricavare la massa di ossigeno necessaria per l’ossidazione
completa di ciascuno dei tre elementi combustibili considerati.
Ad esempio, con riferimento al carbonio, la reazione (1) implica le seguenti quantità, in
termini molari, di reagenti e prodotti:
1 kmole C + 1 kmole O2 = 1 kmole CO2
che in termini di unità di massa, ricordando i pesi molecolari delle singole sostanze, diventa:
12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2
e quindi
1 kg C + 2.67 kg O2 = 3.67 kg CO2
Quindi ogni chilogrammo di carbonio richiede per la sua ossidazione completa a CO2 2.67
kg di ossigeno.
Analogamente per le reazioni (2) e (3):
2 kg H2 + 16 kg O2 = 18 kg H2O
32 kg S + 32 kg O2 = 64 kg SO2
Quindi per l’ossidazione completa di ogni kg di idrogeno sono necessari 8 kg di ossigeno;
mentre per ogni kg di zolfo ci vuole 1 kg di ossigeno.
Dall’analisi elementare di un combustibile si può quindi calcolare la massa minima di
ossigeno comburente, aggiunto dall’esterno, strettamente necessario per la combustione
completa dell’unità di massa del combustibile, che si indica con m(O2)S e prende il nome di
rapporto stechiometrico ossigeno/combustibile:
m(O2)S = 2.67 C + 8 H + S – O
[kg O2/kg combustibile]
(4)
in cui l’ultimo termine tiene conto della presenza dell’ossigeno nel combustibile, quota che non deve
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essere apportata con il comburente esterno.
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LA COMBUSTIONE
Combustione
In generale nei processi di combustione non si utilizza ossigeno puro, ma aria. Il rapporto
stechiometrico aria/combustibile si può ricavare dalla (4), tenendo presente che la frazione
di massa dell’ossigeno nell’aria atmosferica secca è 0.232 kg O2/kg a:
m(a)S = 11.5 C + 34.5 H + 4.32 S – 4.32 O
[kg a/kg combustibile]
(5)
Dalla combustione stechiometrica in aria dell’unità di massa di combustibile si svilupperà la
massa di fumi stechiometrici (m(fumi)S), costituita dall’insieme dei prodotti di combustione
con esclusione delle ceneri:
m(fumi)S = m(a)S + 1 – ceneri
[kg fumi/kg combustibile]
(6)
Nei fumi, oltre ai prodotti di combustione (CO2, H2O, SO2) sarà presente l’azoto (N2)
contenuto nell’aria e che non ha preso parte alla reazione. Le masse dei singoli componenti
presenti nei prodotti, riferite all’unità di combustibile, risulteranno:
m(N2)S = 0.768 m(a)S + N
[kg N2/kg combustibile]
(7)
calcolato considerando anche l’azoto eventualmente presente nel combustibile e la frazione
di massa di azoto nell’aria atmosferica secca pari a 0.768;
m(CO2)S = 3.67 C [kg CO2/kg combustibile] (8)
m(H2O)S = 9 H + H2O
[kg H2O/kg combustibile] (9)
dove il termine H2O indica l’umidità del combustibile, quindi acqua già presente nel
combustibile;
m(SO2)S = 2 S
[kg SO2/kg combustibile] (10)
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Combustione
LA COMBUSTIONE
Nella pratica per ottenere un combustione completa del combustibile, e quindi non avere
incombusti nei prodotti di reazione sfruttando al massimo la potenziale energia del
combustibile, è necessario operare con eccesso di aria comburente rispetto al minimo
stechiometrico, a causa dei tempi finiti di reazione.
Si definisce quindi eccesso d’aria il coefficiente:
ε = [m(a) – m(a)S]/ m(a)S
dove m(a) è la massa d’aria effettivamente impiegata.
Analogamente a prima le masse relative all’unità di combustibile dei fumi e di ciascun
componente nei fumi possono essere calcolate come segue:
m(fumi) = m(a) + 1 – ceneri = (1+ε) m(a)S + 1 – ceneri [kg fumi/kg combustibile] (11)
m(N2) = 0.768 m(a) + N = 0.768 (1+ε) m(a)S + N
[kg N2/kg combustibile]
m(O2) = 0.232 [m(a) - m(a)S] = 0.232 ε m(a)S [kg O2/kg combustibile]
(12)
(13)
dove si è considerato l’ossigeno che non ha reagito perché in eccesso.
Le masse relative all’unità di combustibile m(CO2), m(H2O) e m(SO2) rimangono uguali a
quelle calcolate per la massa d’aria stechiometrica.
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Combustione
LA COMBUSTIONE
Si consideri adesso un sistema in cui la portata di combustibile mc e la portata di
comburente ma danno luogo ad una reazione di combustione, generando la portata di
calore q e la portata di fumi mf. Il sistema può essere schematizzato come in figura e prende
il nome di generatore di calore.
Combustibile
mc
Fumi
Comburente
ma
mf
q
Escludendo la presenza di ceneri, il bilancio di massa risulta il seguente:
ma + mc = mf
(14)
Il bilancio energetico derivante dal Primo Principio della Termodinamica, assumendo
l’ipotesi di gas ideale e quindi di entalpia dipendente solo dalla temperatura, sarà:
ma ha(ta) + mc hc(tc) = mf hf(tf) + q
(15)
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LA COMBUSTIONE
Combustione
Esiste una ulteriore distinzione relativa allo stato finale dell’acqua di reazione nei prodotti di
combustione: infatti se questa si trova allo stato liquido si definirà un potere calorifico
superiore (PCS); se è allo stato di vapore un potere calorifico inferiore (PCI). Infatti nel
primo caso la quantità di calore estratta comprende anche il calore ceduto dalla
condensazione dell’acqua, mentre nel secondo caso questo contributo è mancante. I due
valori sono quindi correlati dall’espressione:
PCS – PCI = m(H2O)S ⋅ r0
(16)
Dove r0 è il calore latente di vaporizzazione dell’acqua alla temperatura di riferimento.
Per la misura del potere calorifico delle sostanze combustibili sono impiegati precisi
strumenti calorimetrici, detti appunto calorimetri.
Per la stima approssimata del potere calorifico (in particolare di quello superiore) di una
sostanza combustibile si può utilizzare la formula di Dulong (semplificata), in base alla
composizione:
PCS = 33950 C + 144200 (H2 - O2/8) + 9400 S [kJ/kg] (20)
Tale formula è riferita alla cosiddetta analisi finale (in termini di massa) del combustibile. Si
noti come convenzionalmente nella (20) 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.
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Combustibili solidi
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Combustibili liquidi
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Combustibili gassosi
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Esempio: combustione biomasse
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Esempio: combustione biomasse
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Esempio: combustione biomasse
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Esempio: combustione biomasse
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Esempio: combustione biomasse
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