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)
