30/04/2013 Generatori di calore a combustione 1 30/04/2013 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) 2 30/04/2013 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. 3 30/04/2013 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] 4 30/04/2013 5 30/04/2013 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 6 30/04/2013 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) 7 30/04/2013 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 8 30/04/2013 9 30/04/2013 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 [-]. 10 30/04/2013 In funzione Spento 11 30/04/2013 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 12 30/04/2013 Il generatore di calore: teste di combustione 13 30/04/2013 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. 14 30/04/2013 15 30/04/2013 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. 16 30/04/2013 17 30/04/2013 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. 18 30/04/2013 Multistadio sono a due o più stadi di potenza, del tipo tutto/poco e cioè portata max/portata parziale/spento. 19 30/04/2013 - Modulanti sono a potenza variabile tra il minimo e massimo e cioè portata max/portata intermedia variabile/spento. 20 30/04/2013 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 21 30/04/2013 Bruciatori ceramici 22 30/04/2013 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 23 30/04/2013 Il generatore di calore: caldaia a basamento, gruppi termici 24 30/04/2013 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%) 25 30/04/2013 Rendimento minimo secondo la Direttiva Europea 92/42 CEE 26 30/04/2013 Scarico condensa 27 30/04/2013 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 28 30/04/2013 29 30/04/2013 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 30 30/04/2013 31 30/04/2013 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 32 30/04/2013 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. 33 30/04/2013 Andamento della temperatura dei gas di combustione e temperatura superficie lato fumi 34 30/04/2013 Temperatura di condensa e contenuto in CO2 35 30/04/2013 Incidenza della temperatura di ritorno in caldaia 36 30/04/2013 Schema della tecnica di condensazione 37 30/04/2013 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. 38 30/04/2013 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. 39 30/04/2013 40 30/04/2013 Incidenza della temperatura di mandata e ritorno sul rendimento stagionale 41 30/04/2013 Il percorso dei fumi 42 30/04/2013 Caldaia a condensazione con due attacchi Conduzione in caldaia 43 30/04/2013 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 44 30/04/2013 Bollitore per H2O sanitaria Equilibratore idraulico 45 30/04/2013 46 30/04/2013 47 30/04/2013 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. 48 30/04/2013 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 49 30/04/2013 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. 50 30/04/2013 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) 51 30/04/2013 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 52 30/04/2013 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 53 30/04/2013 Dimensioni centrale termica a metano interrata 54 30/04/2013 A) B) Dimensioni centrale termica a GPL A) e a Metano B), poste fuori terra 55 30/04/2013 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 56 30/04/2013 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. 57 30/04/2013 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). 58 30/04/2013 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. 59 30/04/2013 Il camino 60 30/04/2013 61 30/04/2013 62 30/04/2013 63 30/04/2013 64 30/04/2013 65 30/04/2013 66 30/04/2013 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 67 30/04/2013 68 30/04/2013 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% 69 30/04/2013 70 30/04/2013 71 30/04/2013 D.M. 1.1.1975 e relativi aggiornamenti: la temperatura massima dell’acqua in mandata è 90°C 72