lezione_12_generatori

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Generatori di calore a combustione
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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)
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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.
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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]
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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
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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)
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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
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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 [-].
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In funzione
Spento
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Rendimento della caldaia
Q& N = Potenza utile della caldaia
Q& S = Potenza dispersa dal rivestimento (caldaia in funzione )
Q& A = Potenza dispersa dai fumi
Q&
= Potenza al focolare = H ⋅ B
Br
u
B = portata oraria di combustibile [m3 / h]
H u = potere calorifero del combustibile [kWh / m3 ]
Q& N
η =
Q& Br
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Il generatore di
calore:
teste di
combustione
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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.
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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.
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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.
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Multistadio sono a due o più stadi di potenza, del tipo
tutto/poco e cioè portata max/portata parziale/spento.
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- Modulanti sono a potenza variabile tra il minimo e
massimo e cioè portata max/portata intermedia
variabile/spento.
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Problemi dei bruciatori tradizionali
- scarsa penetrazione dell’ossigeno (e conseguente formazione di CO)
- inadeguato tempo di reazione (allontanamento degli incombusti)
- eccessiva temperatura di reazione che attiva la formazione di NOx in
reazioni secondarie
Bruciatori a matrice ceramica
- matrice porosa
ottima penetrabilità dei gas di combustione
- basse emissioni
- resistenza strutturale
- assenza di fiamma
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Bruciatori ceramici
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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
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Il generatore di
calore:
caldaia a
basamento,
gruppi termici
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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%)
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Rendimento minimo secondo la Direttiva Europea 92/42 CEE
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Scarico condensa
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Mentre nelle caldaie a bassa temperatura si deve evitare la
condensazione dei gas di combustione e la conseguente
umidità delle superfici di scambio termico, per la tecnica della
condensazione è esattamente il contrario: qui la condensazione
dei gas di combustione è necessaria per sfruttare l'energia
termica latente contenuta nel vapore acqueo, in aggiunta al
calore sensibile dei gas di scarico.
Inoltre viene considerevolmente ridotta l'espulsione del calore
residuo attraverso l'impianto gas di scarico poiché - rispetto
alle caldaie a bassa temperatura - è possibile abbassare
notevolmente la temperatura fumi
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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 
E’ necessario dosare
lo scambio termico
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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
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Scambio termico in regime laminare
Grazie a speciali pressature, le singole spire sono tarate (a
distanza di 0,8 mm) sulle particolari condizioni fluidodinamiche
del gas di combustione. Questa distanza garantisce la
formazione di una corrente laminare senza strato limite e
consente la massima trasmissione del calore.
La temperatura dei gas di combustione può essere raffreddata da
900°C a 50°C, in una lunghezza delle fessure di soli 36mm.
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Andamento della
temperatura dei gas di
combustione e
temperatura superficie
lato fumi
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Temperatura di condensa e contenuto in CO2
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Incidenza della temperatura di ritorno in caldaia
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Schema della tecnica di condensazione
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Il rendimento stagionale è il rapporto tra la quantità di calore
utile rilasciata in un anno e la quantità di calore del combustibile
fornita dal generatore
Il
dimensionamento
di
una
caldaia avviene in modo tale che
sia garantito il fabbisogno termico
alla temperatura esterna più
bassa.
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Il
vantaggio
della
tecnica
della
condensazione
è
particolarmente evidente proprio per fattori di carico ridotti:
le caldaie a temperatura costante causano notevoli perdite di
rendimento quando il fattore di carico diminuisce poiché
anche con temperature dell'impianto di riscaldamento basse,
la temperatura caldaia deve essere mantenuta a un livello
alto.
Ciò provoca un forte aumento della dispersione di calore, con
la conseguente diminuzione del rendimento stagionale.
Le caldaie a condensazione presentano un ottimo rendimento
stagionale proprio con fattori di carico ridotti: per via del
basso livello di temperatura dell'acqua di riscaldamento
l'effetto della condensazione è particolarmente efficace.
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Incidenza della temperatura di mandata e ritorno sul rendimento
stagionale
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Il percorso dei fumi
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Caldaia a condensazione con
due attacchi
Conduzione in caldaia
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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
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Bollitore per H2O sanitaria
Equilibratore idraulico
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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 ⋅ (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]
b = 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.
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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
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L’acqua calda per uso sanitario
n ⋅ c ⋅ ρ ⋅ G ⋅ (t ea − t a )
&
QH2O =
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.
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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 (θ0 = 14°C)
Temperatura dell’acqua
calda prodotta
(standard = 40°C)
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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
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Localizzazione delle
caldaie (D.M.Interno
12/04/1996)
I locali non devono
sottostare a locali di
pubblico spettacolo, ad
ambienti con
affollamento > 0,4 pp/m2
o a vie d’uscita
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Dimensioni centrale termica a metano interrata
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A)
B)
Dimensioni centrale termica a GPL A) e a Metano B), poste fuori terra
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La scelta di più caldaie è da preferirsi per sicurezza di esercizio.
Più caldaie = più perdite al mantello
Potenza equi-ripartita = condizioni idrauliche ottimali e
manutenzione semplificata
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Il sistema di evacuazione di fumi: il camino
Il dimensionamento dei camini è effettuato sulla base di
normative specifiche (UNI 9615-1,UNI 9615-2, UNI 10640, UNI
10641) e di disposizioni legislative.
canna fumaria collettiva ramificata (CCR): condotto asservito a
più apparecchi installati su più piani di un edificio, realizzato
solitamente con elementi prefabbricati che determinano una
serie di condotti singoli (secondari), ciascuno dell’altezza di un
piano, e un collettore (primario) nel quale defluiscono i prodotti
della combustione provenienti dai secondari
comignolo: dispositivo posto alla bocca del camino/ canna
fumaria che permette la dispersione dei prodotti della
combustione anche in presenza
di condizioni atmosferiche
avverse. Il comignolo deve avere una sezione di uscita almeno
doppia di quella del camino/ canna fumaria sul quale è
installato.
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Una caldaia a condensazione in funzione scarica continuamente
una certa quantità d’acqua.
Si tratta di una portata abbastanza modesta:
una caldaia da 28 kW funzionante a regime ed alla massima
potenza, con temperatura media dell’acqua a 35°C comporta
una portata di scarico condensa pari a circa 2,5-2,7 litri/ora,
equivalenti a circa 3 m3 di acqua di condensa a stagione,
contro circa 50 m3 di acqua di scarico di tipo sanitario di una
abitazione nello stesso periodo.
La condensa prodotta dalla caldaia a condensazione è
sostanzialmente acqua leggermente acida (il valore del pH è
variabile da 3 a 5).
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L’acqua
di
condensa
può
essere
particolarmente aggressiva (anche il succo di
limone é acido); l’unico accorgimento da
adottare é quello di convogliarla per mezzo
di tubazioni in acciaio inox o in PVC.
Può essere scaricata senza problemi nelle
acque “nere“, in quanto la modesta acidità
dell’acqua è completamente diluita e
neutralizzata dalle acque degli scarichi
sanitari, di tipo basico, poiché contengono
anche
grosse
quantità
di
detersivi,
detergenti, saponi, in soluzione.
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Il camino
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Tabella 7. Canna collettiva ramificata (UNI 10640),
caldaia di tipo B a tiraggio naturale, η = 90%, canale da
fumo metallico non coibentato tipo CW DUE.
Potenzialità della singola caldaia [kW]; tfumi = 180°C
Numero
di
piani serviti
11
17
23
26
29
35
3
16/ 14
16/ 14
16/14
16/14
16/ 14
18/ 14
4
18/ 14
18/ 14
18/ 14
18/ 14
20/14
20/ 14
5
20/ 14
20/ 14
20/ 14
n.d.
n.d.
n.d.
Tabella 8: Dimensionamento canne collettive (UNI 10641),
caldaia di tipo C, η = 90%, canale da fumo metallico non coibentato.
Diametro della canna [cm] tipo CW EFFE.
Potenzialità della singola caldaia[kW]; tfumi = 120°C
Numero di
piani serviti
11
17
23
26
29
35
1
12
12
12
12
12
12
2
12
12
14
14
14
16
3
12
14
16
18
18
18
4
14
16
18
18
20
n.d.
5
16
18
20
n.d.
n.d.
n.d.
6
18
20
20
25
25
25
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Verifiche sulla caldaia ai sensi del D. Lgs. 311
- ogni 4 anni per impianti Pn < 35 kW;
- ogni 2 anni per impianti Pn < 35 kW ma con
anzianità di installazione di 8 anni;
- ogni anno se Pn ≥ 35kW
Rendimento globale medio stagionale
ηg = (75 + 3 Log Pn) %
Pn = potenza nominale della caldaia [kW]
Se Pn > 1000 kW ηg = 84%
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D.M. 1.1.1975 e relativi aggiornamenti: la temperatura massima
dell’acqua in mandata è 90°C
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