La combustione
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Centrali termiche: per la conduzione ci vuole la “patente” Obbligo g del patentino p di abilitazione di 2° g grado per p la conduzione degli impianti termici sopra i 232 kW Ing Diego Danieli – Libero Professionista Venezia Ing. Marzo-Luglio 2013 LA COMBUSTIONE La combustione è una reazione chimica in cui un combustibile si combina con un comburente (aria) sviluppando il d calore l e lluce. Si ha una buona combustione quando l'aria ricca di ossigeno si combina in modo ottimale con il combustibile. CARATTERISTICHE COMBUSTIBILI La differenza sostanziale tra combustibili solidi liquidi gassosi è la loro differente capacità di combinarsi con l’aria l aria. I combustibili solidi vengono polverizzati per aumentare la possibilità di combinazione con l aria l’aria mentre i combustibili liquidi vengono polverizzati . Invece i combustibili gassosi si combinano bene con l aria. l’aria COMPOSIZIONE DI UN COMBUSTIBILE I combustibili sono costituiti da carbonio (C) e idrogeno (H2) (H2), con eventuale presenza di zolfo (S) e di altri elementi in piccole percentuali (organici e inorganici). LA TRIADE O TRIANGOLO DEL FUOCO Le reazioni di combustione possono avvenire soltanto in presenza : 1) un combustibile, 2) un comburente g di energia. g 3)) una sorgente Il combustibile e l'ossidante (comburente) sono quindi i reagenti che partecipano alla reazione; la sorgente di energia (innesco) serve a far partire la reazione, fornisce cioè l'energia di attivazione. POTERE CALORIFICO DEL COMBUSTIBILE Il potere calorifico del combustibile è definito come la quantità di calore prodotta dalla comb stione di un combustione n Kg di combustibile. comb stibile La massa dei fumi prodotti si trova ad una temperatura iniziale che è chiamata temperatura di combustione adiabatica: Tin = Tcomb.ad. - di combustione perché è il risultato di un processo di combustione - adiabatica perché è avvenuta senza scambio di calore. CALORIMETRO (“BOMBA”) DI MAHLER TEMPERATURA DI COMBUSTIONE ADIABATICA I combustibili che hanno una temperatura di combustione adiabatica elevata sono i metalli ad esempio il magnesio che h oltrepassa lt i3 3.000 000 K K, poii cii sono glili id idrocarburi b i che h raggiungono i 1.500 K, e altri materiali come il carbone di torba che raggiunge i 1 1.000 000 K K,o o il legno con 700 K K. CALORE NEI FUMI Il grafico riportato, mostra l’andamento della temperatura dei fumi in funzione della quantità di calore scambiato. CALORE NEI FUMI Si noti che ad un certo punto la pendenza della retta diminuisce, e si riesce ad estrarre più calore di quanto non ci si aspetti .Come è spiegabile questo fenomeno? Succede che ad una certa temperatura p il vapor p acqueo q contenuto nei prodotti di combustione comincia a condensare. Tale punto critico si trova ad una temperatura che h viene i d definita fi it TEMPERATURA DI RUGIADA, RUGIADA appunto t perché si formano delle goccioline di acqua. Il cambiamento di fase da vapore a liquido comporta una erogazione di una certa quantità di energia, chiamata CALORE LATENTE DI VAPORIZZAZIONE. P ieP Pci Pcs Esistono due tipi di potere calorifico, inferiore e superiore Il POTERE CALORIFICO INFERIORE (PCI) si ottiene supponendo pp che il vapore p contenuto nei fumi non condensi,, per ottenere ciò si fa espandere il vapore in una volume più grande in modo che la sua concentrazione diminuisca, quindi non condensi. Il POTERE CALORIFICO SUPERIORE si ottiene ipotizzando che alla temperatura p di 20°C,, tutto il vapore p contenuto nei fumi, sia diventato liquido, cioè sia condensato. CALCOLO PCI_PCS La relazione tra i due poteri calorifici è data da: TEMPERATURA SCARICO FUMI Molti impianti di combustione vengono regolati in modo da fermarsi appena pp p prima della temperatura p di rugiada, g , quindi la quantità di calore sottratta è nettamente inferiore al potere calorifico superiore,questo perché la presenza di goccioline i li di acqua, sarebbe bb d dannosa per i suoi effetti corrosivi e incrostanti. La legge antismog, emanata nel 1968, rese obbligatorio scaricare i fumi con almeno 10° in p più della temperatura p di rugiada acido. In questo modo i fumi escono molto caldi, e portano in cielo tutte le sostanze i inquinanti,quindi i ti i di risultano i lt essere meno iinquinanti i ti per lla città sottostante, ma provocano poi le famose piogge acide e un innalzamento della temperatura media dell’ambiente. PUNTO DI RUGIADA ACIDA È la temperatura alla quale incomincia a formarsi una condensa acida per presenza di H2SO4 . Tale temperatura non è fissa ma dipende: 1. dalla 1 d ll concentrazione t i di zolfo lf S nell combustibile b tibil (t (tenore di zolfo); 2. quantità di aria in eccesso CONDENSA ACIDA Durante la combustione, lo zolfo presente nel combustibile, origina o g a SO SO2 (a (anidride d de so solforosa) o osa) cche, e, in p presenza ese a e eventuale e tua e di ossigeno atomico, si trasforma in SO3 la cui concentrazione è direttamente proporzionale alla concentrazione di zolfo nel combustibile alla quantità di aria in eccesso; l'SO3 andrà a combinarsi con l'H2O e produrrà l'H2SO4, dai noti effetti corrosivi. PUNTO DI RUGIADA ACIDA È la temperatura a cui nei fumi condensa l’acido.. l’anidride solforica innalza la temperatura a cui inizia la condensazione del vapore p d’acqua q contenuto nei fumi Il punto di rugiada acido dipende dal tenore di zolfo nel combustibile. EQUAZIONI DELLA COMBUSTIONE COMPLETA Un combustibile è formato da 1) H Idrogeno (più abbondante nel metano) 2)) C Carbonio (p (più abbondante nel carbone)) 3) S Zolfo (indesiderato) (presente soprattutto nel carbone, nelle nafte) IL CARBONIO FORMA ANIDRIDE CARBONICA L’IDROGENO FORMA ACQUA LO ZOLFO FORMA ANIDRIDE SOLFOROSA EQUAZIONI DELLA COMBUSTIONE INCOMPLETA Il carbonio, in carenza di ossigeno, forma ossido di carbonio b i Per ogni kg di C si perdono 8130-5319=5311 kcal/kg (perdita di calore latente) = Latente = nascosta PERICOLOSITA' DELL' OSSIDO DI CARBONIO Percentuale di ossido nell'aria % 0,32 0 32 : Mal di testa, testa stordimento e nausea in 5-10 5 10 min. Morte in 30 min. % 0,64 : Mal di testa, stordimento e nausea in 1-2 min. Morte in 10-15 min. oltre % 0,64 : Morte in pochi minuti EQUAZIONI DELLA MANCATA COMBUSTIONE C+O2= Carbonio incombusto (nerofumo)+O2 + 0 kcal/kg S il carbonio Se b i non b brucia i d dell ttutto tt fforma ffuliggine li i Per ogni kg di C si perdono 8130-0=8130 kcal (perdita di calore latente) Se bruciamo metano (o altro gas) in caso di combustione non avvenuta t esce il metano t stesso. t FORMAZIONE DI INCOMBUSTI SOLIDI Gli incombusti solidi si formano quando le particelle di carbonio non bruciano completamente; quando per esempio le cinosfere di combustibile attraversano una zona relativamente fredda della fiamma e si estinguono, g oppure pp quando, attraversando troppo rapidamente la fiamma, perdono le parti più volatili (idrogeno) mentre il nucleo ( b i ) va a fformare lla ffuliggine (carbonio) li i ed d il ffumo nero. Anche un'eccessiva lunghezza della fiamma, con il conseguente urto contro le pareti, o l'incontro con una corrente fredda, sono causa dei fenomeni suddetti. Qualche Q l h volta lt lla responsabilità bilità è da d attribuirsi tt ib i i all'insufficienza ll'i ffi i dell'aria comburente; in questo caso, un semplice aumento dell'aria dell aria non sempre riduce il fenomeno fenomeno. In effetti un aumento dell'aria riduce sì le dimensioni della fiamma ma ne riduce anche la temperatura e quindi l'attività fiamma, l attività di combustione, per cui le particelle più grosse di combustibile non riusciranno a bruciare: la fuliggine gg si depositerà sulle superfici di scambio termico riducendone la capacità di trasferire calore al fluido impiegato e riducendo quindi i di il rendimento di d della ll fifiamma. Quindi occorre un eccesso d’aria non “eccessiva” e una buona turbolenza dell’aria comburente. EQUAZIONE DELLA COMBUSTIONE DEL METANO 1 metro cubo di metano reagisce con due metri cubi di ossigeno e forma 1 metro cubo di anidride carbonica e 2 metri cubi di acqua Per i combustibili P b tibili gassosii i calcoli l li sono semplificati lifi ti d dalla ll legge di Avogadro secondo la quale volumi uguali di gas nelle stesse condizioni di temperatura e pressione contengono lo stesso numero di molecole L’aria è formato in volume dal 20,9% di O2 e 79,1% di N2 100 mc di aria i contengono 20,9 20 9 mc di ossigeno i quindi i di per avere 1 mc di ossigeno dobbiamo prelevare: 1:x= 20,9: 100 x=100/20,9= 4,8 mc aria Pertanto per ogni metro cubo di metano occorrono quasi di i metri dieci t i cubi bi di aria: i 1mc CH4+ 22*44,8 8 mc aria = 1mcCO2+2mcH2O+2 O+2*4 4,88*00,791mc 791mc N2 1mcCH4+9,53mc aria= 1mcCO2 + 2mcH2O + 7,53mc N2 ARIA TEORICA DI COMBUSTIONE Per aria teorica di combustione si intende la quantità dd'aria aria stechiometricamente necessaria all' ossidazione totale di un combustibile. L' aria teorica di combustione viene calcolata sulla base delle reazioni i i di combustione b ti ARIA IN ECCESSO (ECCESSO D’ARIA) Al fine di assicurare una combustione il più possibile perfetta in modo d da d eliminare li i quasii interamente i t t la l presenza di incombusti i b ti o prodotti parziali di combustione è consigliabile agire con un eccesso dd‘ aria, eccesso che può essere più o meno elevato a seconda del: • tipo di combustibile, • del suo stato fisico, • del suo grado di suddivisione. COMBUSTIONE PRATICA: eccesso d’aria d aria SOLIDO NON POLVERIZZATO CARICATO A MANO 80-100% SOLIDO NON POLVERIZZATO CON GRIGLIA MECCANICA 50-60% SOLIDO POLVERIZZATO 20-40% LIQUIDO 4-20% GASSOSO 1-5% L’eccesso d’aria non deve superare i limiti dettati d ll’ dall’esperienza i in i quanto comunque aumentare l’aria l’ i di combustione significa aumentare la massa dei fumi caldi uscenti dal camino: Quindi + ARIA = +FUMI = + CALORE PERSO AL CAMINO COMBUSTIONE PRATICA Per evitare la formazione di fuliggine occorre evitare che gli elementi che ggenerano la fiamma arrivino o ggiungano g in una zona fredda e si spengano. Occorre quindi i di che h lla fi fiamma non vada d ad d urtare contro le l pareti del focolare. L’aumento esagerato dell’eccesso d’aria o una infiltrazione di p una eccessiva aria in camera di combustione ppuò comportare diminuzione della temperatura di fiamma e le particelle di maggiori dimensioni possono non riuscire a bruciare. . ARIA EFFETTIVA L' aria effettivamente impiegata (Aeff) in una combustione è la somma dell dell' aria teorica e dell dell'aria aria in eccesso. eccesso ECCESSO D’ARIA SE L’ECCESSO D’ARIA È IL 15% IL COEFFICIENTE DI ECCESSO D’ARIA E 11,15 15 SE L’ECCESSO L ECCESSO D’ARIA D ARIA È IL 20% IL COEFFICIENTE DI ECCESSO D’ARIA E 1,20 L’EQUAZIONE DELLA COMBUSTIONE CONTENUTO MAX CO2 NEI FUMI calcolabile l l bil stechiometricamente hi i GASOLIO 15,2% 15 2% METANO 11,7% DIAGRAMMA DI OSTWALD PER METANO CONTROLLO DELLA COMBUSTIONE Per controllo della combustione si intende un’analisi dei prodotti d ll combustione della b i che h ha h lo l scopo di stabilire bili se il fenomeno f avviene i correttamente. Un eccesso d’aria d aria comporta uno spreco di calore e un difetto dd’aria aria provoca una perdita di calore per la formazione di Ossido di Carbonio invece che di Anidride Carbonica e al tempo p stesso la produzione di un gas altamente tossico. Il controllo ll della d ll combustione b i sii basa b sull’analisi ll’ li i dei d i fumi. f i In I realtà là si parla di fumi secchi in quanto prima di entrare negli analizzatori i fumi vengono raffreddati fine a temperatura ambiente per cui quasi tutto il vapore condensa. RENDIMENTO TERMICO Calore speso = potere calorifico inferiore del combustibile moltiplicato p per p la massa del combustibile + calore di preriscaldamento combustibIle + calore preriscaldamento aria se si utilizza calore esterno Calore utilizzato = energia termica del vapore prodotto Calore perso = calore speso – calore utilizzato PERDITE DI CALORE RENDIMENTO % =100-QPS-QPC-QPI-QPV QPs = Perdite per calore sensibile QPc = Perdite per calore latente o combustione incompleta QPi = Perdite per irraggiamento QPv P = Perdite P dit varie i PERDITE PER IRRAGGIAMENTO Sono dovute all’inevitabile scambio termico tra generatore e ambiente. Avvengono sia per conduzione, che per convenzione che per irraggiamento. Sii dicono di per irraggiamento i i per semplicità. li i à Dipendono dalla potenza del generatore. generatore Possono variare tra 0,2 e 10% Sono in quantità fissa e dipendono dalla geometria del generatore. Pertanto dimezzando il carico esse raddoppiano in percentuale. PERDITE VARIE Sono dovute a cause varie quali gli spurghi. Si ricavano normalmente per differenza a 100 una volta calcolate le altre perdite PERDITE DI CALORE SENSIBILE AL CAMINO In un processo di combustione in genere i fumi vengono scaricati nell' atmosfera ad una temperatura superiore all' ambiente (in generale l superiore i a 200 °C) e questi ti gas trascinano t i nell' ll' atmosfera t f una certa quantità di calore pari al loro calore sensibile. Si ha che: Più aria in eccesso = Più perdite al camino Più alta temperatura di uscita dei gas = Più perdite al camino PERDITE PER CALORE SENSIBILE 1. Sono dovute al calore perso con i fumi. 2. Dipendono p dalla temperatura p dei fumi e dalla massa dei fumi. 3. Per diminuirle occorre tenere bassa la temperatura dei fumi compatibilmente con il punto di rugiada e con la necessità del tiraggio, i i e tenere basso b l l’eccesso d’aria d i compatibilmente ibil con la necessità di non produrre incombusti (CO, C). CALCOLO PERDITE PER CALORE SENSIBILE In assenza o quali si incombusti si può utilizzare la formula di Hassenstein QPs P = perdita per calore sensibile in % del calore speso tf = temperatura fumi alla base del camino in °C ta = temperatura te pe atu a ambiente a b e te in °C C Ks= coefficiente variabile con il tipo di combustibile e con la precentuale di anidride carbonica nei fumi CO2= percentuale in volume di anidride carbonica nei fumi PERDITE PER CALORE LATENTE OVVERO COMBUSTIONE INCOMPLETA Sono dovute a formazione di fuliggine e/o ossido di carbonio. Con i combustibili solidi sono usualmente presenti, con gli altri combustibili b tibili sii possono annullare ll con un adatto d tt eccesso di aria. i CALCOLO PERDITE PER CALORE LATENTE OVVERO COMBUSTIONE INCOMPLETA QPc= perdita percentuale del calore speso CO,CO2 = percentuali in volume misurate nei fumi Kc= costante (50 5 per olio, (50,5 li 37,9 37 9 per metano, t 59 per carbone) b ) Ipotesi : fuliggine =00 TERMOMETRO INDICATORE La misurazione della temperatura dei fumi è un’indicazione essenziale per p stabilire il rendimento dell’ impianto. Il termometro viene i fornito f i con gambo b normale di 150 mm. La scala 00°C C – 500 500°C C permette di utilizzarlo su ogni tipo p La misurazione d’impianto. deve essere effettuata a valle dello scambiatore di calore l della d ll caldaia ld i in i un tratto rettilineo Misuratore di tiraggio (Deprimometro) È importante i la l regolazione l i e la misura della depressione nella canna fumaria fumaria. Essa varia in funzione del tipo di Caldaia e di calorie bruciate. Si inserisce la sonda nel foro del camino e si ottiene la misura d ll depressione della d i dei d i fumi. f i APPARECCHIO DELLA MISURAZIONE DELL’INDICE DI FULIGGINE BACHARACH Per la sua determinazione è d’uso internazionale il riferimento all’opacità dei fumi o indice di Bacharach. Mediante apposita pompa si prelevi un campione dei fumi all’interno del tubo di scarico; il fumo così aspirato è fatto passare attraverso tt un filtro filt di carta. t La L macchia hi di fuliggine f li i risultante i lt t viene i confrontata con le diverse gradazioni riportate su una scala campione. Sotto e riportato l’apparecchio pompa) con gli accessori necessari alla misurazione. L’ uso e molto semplice: - si inserisce il filtro di carta nell’apposito alloggiamento - si inserisce la sonda nel tubo di scarico -si si fanno passare i ffumi mi attra attraverso erso il filtro aspirando con la pompa per dieci volte e per una durata di 3 secondi, circa, ciascuna. ANALIZZATORE FYRITE PER CO2 I fumi vengono miscelati con lo speciale liquido che ha la proprietà di disciogliere il CO2 con la conseguenza di una variazione del volume dei gas immessi nell’ apparecchio. L’apparecchio garantisce una precisione di misura di ±0,2% sul valore ppercentuale del CO2 da esso determinato. Si predispone l’apparecchio (FYRITE) per la misura: - lo si porta a temperatura ambiente, ambiente si fa in modo di umidificare le pareti interne. - si abbassa 3 o 4 volte la valvola a pressione posta nella parte superiore in modo da mettere in comunicazione l’apparecchio con l’aria. - sii sposta t la l scala l fino fi a far f coincidere i id lo l zero dello d ll strumento t t con il livello del liquido interno. - si introduce la sonda nell nell’apposita apposita “presa presa campione fumi fumi” del camino da una parte e il tubo nell’apparecchio dall’altra. -si tiene abbassata la valvola e si aspirano i fumi con 20 pompate, dopo di che si stacca il tubo dall’apparecchio. Si capovolge quest’ultimo 2 o 3 volte affinché il fumo campione attra ersi il liquido, attraversi liq ido poi si legge sulla s lla scala il valore alore raggiunto raggi nto dal menisco del liquido. Il liquido viene cambiato quando la sua colorazione diventa più chiara e quando compare su di esso una schiuma bianca. COMBUSTIONE PRATICA LA FIAMMA Per quanto riguarda le modalità di miscelazione è necessario g le fiamme in due categorie: g distinguere fiamme a diffusione e fiamme premiscelate. Le fiamme a diffusione si hanno quando la miscelazione Combustibile e comburente ha luogo al momento della combustione. combustione Le fiamme ppremiscelate si hanno qquando detta miscelazione avviene prima della combustione COMBUSTIONE PRATICA LA FIAMMA SECONDO L’ECCESSO L ECCESSO D’ARIA D ARIA Un aumento dell’eccesso di aria determina un riduzione della fiamma Un difetto di aria determina un allungamento della fiamma e una possibile instabilità COMBUSTIONE PRATICA LA FIAMMA SECONDO I COMBUSTIBILI Combustibili gassosi L a fiamma dei combustibili gassosi è azzurra trasparente nel caso di combustione a premiscelazione, azzurra con sfumature rossastre nel caso di combustione a diffusione. La presenza di frange L f è dovuta d t a difetto dif tt d’aria d’ i e add iinadeguata d t turbolenza Combustibili liquidi densi Per eccessi di aria bassi la fiamma ha un colore giallo bianco abbagliante. Per eccesso d’aria elevati ha un colore giallo rossastro Combustibili C b tibili liquidi li idi leggeri l i La fiamma ha luminosità inferiore ed ha delle sfumature azzurre Con aria insufficiente la fiamma è rossastra. La luminosità della fiamma può essere aumentata con forte preriscaldamento. PRODOTTI DELLA COMBUSTIONE 1. CO ossido di carbonio 2 CO2 anidride 2. id id cabonica b i 3. C incombusto (fuliggine) 4. H2O vapor d’acqua d acqua 5. N2 azoto 6. O2 ossigeno 7. SO2 anidride solforosa 8. NOX ( OSSIDI DI AZOTO) 9 COMBUSTIBILE INCOMBUSTO SE GASSOSO 9. 10. CENERI (nel caso di combustibili solidi le sostanze minerali presenti formano un residuo che prende nome di ceneri)
