Centrali termiche: per la conduzione

ci vuole la “patente”

Obbligo del patentino di abilitazione di 2° grado per g p g pla conduzione degli impianti termici sopra i 232 kW

Ing Diego Danieli – Libero Professionista VeneziaIng. Diego Danieli Libero Professionista Venezia

Marzo-Luglio 2013

LA COMBUSTIONE

La combustione è una reazione chimica in cuiLa combustione è una reazione chimica in cui uncombustibile si combina con un comburentecombustibile si combina con un comburente (aria)

il d l lsviluppando calore e luce.Si ha una buona combustione quando l'aria ricca di ossigeno si combina in modo ottimale con il combustibile.con il combustibile.

CARATTERISTICHE COMBUSTIBILI

La differenza sostanziale tra combustibili solidiLa differenza sostanziale tra combustibili solidi liquidi gassosi è la loro differente capacità dicombinarsi con l’ariacombinarsi con l aria.

I combustibili solidi vengono polverizzati perI combustibili solidi vengono polverizzati peraumentare la possibilità di combinazione con l’arial ariamentre i combustibili liquidi vengono polverizzatipolverizzati .

Invece i combustibili gassosi si combinano beneInvece i combustibili gassosi si combinano bene conl’arial aria.

COMPOSIZIONE DI UN COMBUSTIBILECOMPOSIZIONE DI UN COMBUSTIBILE

I combustibili sono costituiti da carbonio (C) e idrogeno (H2) con eventuale presenza di zolfo (S) eidrogeno (H2), con eventuale presenza di zolfo (S) e di altri elementi in piccole percentuali (organici e inorganici).inorganici).

LA TRIADE O TRIANGOLO DEL FUOCO

Le reazioni di combustione possono avvenire soltanto in

presenza :presenza :

1) un combustibile,

2) un comburente

3) una sorgente di energia.) g g

Il combustibile e l'ossidante (comburente) sono quindi i reagenti che partecipano alla reazione; la sorgente direagenti 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 definitocome la quantità di calore prodotta dallacomb stione di n Kg di comb stibilecombustione di un Kg di combustibile.

La massa dei fumi prodotti si trova ad unaLa massa dei fumi prodotti si trova ad unatemperatura iniziale che è chiamata temperaturadi combustione adiabatica:Tin = Tcomb.ad.- di combustione perché è il risultato di un processoprocessodi combustione- adiabatica perché è avvenuta senza scambio diadiabatica perché è avvenuta senza scambio dicalore.

CALORIMETRO (“BOMBA”) DI

MAHLERMAHLER

TEMPERATURA DI COMBUSTIONE ADIABATICA

I combustibili che hanno una temperatura di combustione adiabatica elevata sono i metalli ad esempio il magnesio h lt i 3 000 K i i li id b i hche oltrepassa i 3.000 K, poi ci sono gli idrocarburi che

raggiungono i 1.500 K, e altri materiali come il carbone di torba che raggiunge i 1 000 K o il legno con 700 Ktorba che raggiunge i 1.000 K,o il legno con 700 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 il vapor acqueo p p qcontenuto nei prodotti di combustione comincia a condensare. Tale punto critico si trova ad una temperatura h i d fi it TEMPERATURA DI RUGIADA tche viene definita TEMPERATURA DI RUGIADA, appunto

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 VAPORIZZAZIONECALORE LATENTE DI VAPORIZZAZIONE.

P i PPci e PcsEsistono due tipi di potere calorifico, inferiore e superiore

Il POTERE CALORIFICO INFERIORE (PCI) si ottiene supponendo che il vapore contenuto nei fumi non condensi, pp p ,per ottenere ciò si fa espandere il vapore in una volume piùgrande in modo che la sua concentrazione diminuisca, quindi non condensi.

Il POTERE CALORIFICO SUPERIORE si ottiene ipotizzando che alla temperatura di 20°C, tutto il vapore contenuto nei p , pfumi, 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 mododa fermarsi appena prima della temperatura di rugiada,pp p p g ,

quindi la quantità di calore sottratta è nettamenteinferiore al potere calorifico superiore,questo perché la

di i li di bb d ipresenza di goccioline di acqua, sarebbe dannosa per isuoi effetti corrosivi e incrostanti.

La legge antismog, emanata nel 1968, rese obbligatorioscaricare i fumi con almeno 10° in più della temperaturap p

di rugiada acido. In questo modo i fumi escono moltocaldi, e portano in cielo tutte le sostanze

i i ti i di i lt i i ti linquinanti,quindi risultano essere meno inquinanti per lacittà sottostante, ma provocano poi le famose piogge

acide e un innalzamento della temperatura mediaacide e un innalzamento della temperatura mediadell’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 d ll t i di lf S l b tibil (t1. dalla concentrazione di zolfo S nel combustibile (tenore di zolfo);

22. quantità di aria in eccesso

CONDENSA ACIDA

Durante la combustione, lo zolfo presente nel combustibile, origina SO2 (anidride solforosa) che, in presenza eventuale o g a SO (a d de so o osa) c e, p ese a e e tua edi 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 d’acqua contenuto nei fumip q

Il punto di rugiada acido dipende dal tenore di zolfo nel combustibile.

EQUAZIONI DELLA COMBUSTIONE COMPLETAEQUAZIONI DELLA COMBUSTIONE COMPLETA

Un combustibile è formato da

1) H Idrogeno (più abbondante nel metano)

2) C Carbonio (più abbondante nel carbone)) (p )

3) S Zolfo (indesiderato) (presente soprattutto nel carbone, nelle nafte)nelle nafte)

IL CARBONIO FORMA ANIDRIDE CARBONICA

L’IDROGENO FORMA ACQUA

LO ZOLFO FORMA ANIDRIDELO ZOLFO FORMA ANIDRIDE SOLFOROSA

EQUAZIONI DELLA COMBUSTIONE INCOMPLETA

Il carbonio, in carenza di ossigeno, forma ossido di b icarbonio

Per ogni kg di C si perdono

8130-5319=5311 kcal/kg

(perdita di calore latente) = Latente = nascosta(perdita di calore latente) = Latente = nascosta

PERICOLOSITA' DELL' OSSIDO DI CARBONIO

Percentuale di ossido nell'aria

% 0 32 : Mal di testa stordimento e nausea in 5-10% 0,32 : Mal di testa, stordimento e nausea in 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 b i b i d l t tt f f li iSe il carbonio non brucia del tutto forma fuliggine

Per ogni kg di C si perdono

8130-0=8130 kcal

(perdita di calore latente)(perdita di calore latente)

Se bruciamo metano (o altro gas) in caso di combustione t il t tnon avvenuta esce il metano stesso.

FORMAZIONE DI INCOMBUSTI SOLIDIFORMAZIONE DI INCOMBUSTI SOLIDI

Gli incombusti solidi si formano quando le particelle di carbonio non bruciano completamente; quando per esempiocarbonio non bruciano completamente; quando per esempio le cinosfere di combustibile attraversano una zona relativamente fredda della fiamma e si estinguono, oppure g ppquando, attraversando troppo rapidamente la fiamma, perdono le parti più volatili (idrogeno) mentre il nucleo ( b i ) f l f li i d il f(carbonio) va a formare la fuliggine ed il fumo 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.

Q l h lt l bilità è d tt ib i i ll'i ffi iQualche volta la responsabilità è da attribuirsi all'insufficienza dell'aria comburente; in questo caso, un semplice aumento dell'aria non sempre riduce il fenomenodell aria non sempre riduce il fenomeno.

In effetti un aumento dell'aria riduce sì le dimensioni della fiamma ma ne riduce anche la temperatura e quindi l'attivitàfiamma, ma ne riduce anche la temperatura e quindi l attivitàdi combustione, per cui le particelle più grosse di combustibile non riusciranno a bruciare: la fuliggine si ggdepositerà sulle superfici di scambio termico riducendone la capacità di trasferire calore al fluido impiegato e riducendo

i di il di d ll fiquindi il rendimento della fiamma.

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 2ossigeno e forma 1 metro cubo di anidride carbonica e 2 metri cubi di acqua

P i b tibili i i l li lifi ti d llPer i combustibili gassosi i calcoli sono semplificati dalla legge di Avogadro secondo la quale volumi uguali di gas nelle stesse condizioni di temperatura e pressionenelle 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 N2100 di i 20 9 di i i di100 mc di aria contengono 20,9 mc di ossigeno quindi per avere1 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 quasidi i t i bi di idieci metri cubi di aria:

1mc CH4+ 2*4 8 mc aria = 1mcCO2+2mcH2O+2*4 8*0 791mc N21mc CH4+ 2 4,8 mc aria 1mcCO2+2mcH2O+2 4,8 0,791mc N2

1mcCH4+9,53mc aria= 1mcCO2 + 2mcH2O + 7,53mc N2

ARIA TEORICA DI COMBUSTIONEARIA TEORICA DI COMBUSTIONE

Per aria teorica di combustione si intende la quantità d'ariaPer aria teorica di combustione si intende la quantità d aria stechiometricamente necessaria all' ossidazione totale di un combustibile.

L' aria teorica di combustione viene calcolata sulla base delle i i di b tireazioni di combustione

ARIA IN ECCESSO (ECCESSO D’ARIA)

Al fine di assicurare una combustione il più possibile perfetta in d d li i i i t t l di i b timodo da eliminare quasi interamente la presenza di incombusti o

prodotti parziali di combustione è consigliabile agire con un eccesso d‘ aria, eccesso che può essere più o meno elevato aeccesso d aria, eccesso che può essere più o meno elevato aseconda del:• tipo di combustibile,• del suo stato fisico,• del suo grado di suddivisione.

COMBUSTIONE PRATICA: eccesso d’ariaCOMBUSTIONE PRATICA: eccesso 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’ i i l’ i didall’esperienza in quanto comunque aumentare l’aria di combustione significa aumentare la massa dei fumi caldi uscenti dal camino:uscenti dal camino:Quindi

+ ARIA = +FUMI = + CALORE PERSO AL CAMINO

COMBUSTIONE PRATICA

Per evitare la formazione di fuliggine occorre evitare che glielementi che generano la fiamma arrivino o giungano in unag g gzona fredda e si spengano.

i di h l fi d d lOccorre quindi che la fiamma non vada ad urtare contro le pareti del focolare.

L’aumento esagerato dell’eccesso d’aria o una infiltrazione di aria in camera di combustione può comportare una eccessivap pdiminuzione della temperatura di fiamma e le particelle dimaggiori dimensioni possono non riuscire a bruciare. .

ARIA EFFETTIVA

L' aria effettivamente impiegata (Aeff) in una combustione è la somma dell' aria teorica e dell'aria in eccessoè la somma dell aria teorica e dell aria in eccesso.

ECCESSO D’ARIA

SE L’ECCESSO D’ARIA È IL 15% IL COEFFICIENTE DI ECCESSO D’ARIA E 1 15IL COEFFICIENTE DI ECCESSO D’ARIA E 1,15

SE L’ECCESSO D’ARIA È IL 20%SE L ECCESSO D ARIA È IL 20% IL COEFFICIENTE DI ECCESSO D’ARIA E 1,20

L’EQUAZIONE DELLA COMBUSTIONE

CONTENUTO MAX CO2 NEI FUMI

l l bil hi icalcolabile stechiometricamente

GASOLIO 15 2%GASOLIO 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 b i h h l di bili il f idella combustione che ha lo scopo di stabilire se il fenomeno avviene correttamente.Un eccesso d’aria comporta uno spreco di calore e un difetto d’ariaUn eccesso d aria comporta uno spreco di calore e un difetto d aria provoca una perdita di calore per la formazione di Ossido di Carbonio invece che di Anidride Carbonica e al tempo stesso la pproduzione di un gas altamente tossico.

Il ll d ll b i i b ll’ li i d i f i I l àIl controllo della combustione si basa sull’analisi dei fumi. In realtà si parla di fumi secchi in quanto prima di entrare negli analizzatori i fumi vengono raffreddati fine a temperatura ambiente per cui quasifumi vengono raffreddati fine a temperatura ambiente per cui quasi tutto il vapore condensa.

RENDIMENTO TERMICO

Calore speso = potere calorifico inferiore del combustibile moltiplicato per la massa del combustibile + calore di p ppreriscaldamento 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 sensibileQPc = Perdite per calore latente o combustione incompletaQPi = Perdite per irraggiamentoQP P dit iQPv = Perdite varie

PERDITE PER IRRAGGIAMENTO

Sono dovute all’inevitabile scambio termico tra generatore eambiente. Avvengono sia per conduzione, che per convenzione che per irraggiamento.

i di i i li i àSi dicono per irraggiamento per semplicità.

Dipendono dalla potenza del generatoreDipendono dalla potenza del 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 perditenormalmente per differenza a 100 una volta calcolate le altre perdite

PERDITE DI CALORE SENSIBILE AL CAMINOIn un processo di combustione in genere i fumi vengono scaricati nell' atmosfera ad una temperatura superiore all' ambiente (in

l i 200 °C) ti t i ll' t fgenerale superiore a 200 °C) e questi gas trascinano nell' atmosfera una certa quantità di calore pari al loro calore sensibile.Si ha che: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 dalla temperatura dei fumi e dalla massa dei fumi.p p3. Per diminuirle occorre tenere bassa la temperatura dei fumi compatibilmente con il punto di rugiada e con la necessità del i i b l d i ibiltiraggio, e tenere basso l’eccesso d’aria compatibilmente con

la necessità di non produrre incombusti (CO, C).

CALCOLO PERDITE PER CALORE SENSIBILEIn assenza o quali si incombusti si può utilizzare la

formula di Hassensteinformula di Hassenstein

QP = perdita per calore sensibile in % del calore spesoQPs = perdita per calore sensibile in % del calore speso tf = temperatura fumi alla base del camino in °Cta = temperatura ambiente in °Cta te pe atu a a b e te CKs= coefficiente variabile con il tipo di combustibile e con la precentuale di anidride carbonica nei fumiCO2= percentuale in volume di anidride carbonica nei fumi

PERDITE PER CALORE LATENTE OVVERO COMBUSTIONEPERDITE 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

b tibili i ll d tt di icombustibili si possono annullare con un adatto eccesso di aria.

CALCOLO PERDITE PER CALORE LATENTE OVVEROCOMBUSTIONE INCOMPLETACOMBUSTIONE INCOMPLETA

QPc= perdita percentuale del calore speso

CO,CO2 = percentuali in volume misurate nei fumiKc= costante(50 5 li 37 9 t 59 b )(50,5 per olio, 37,9 per metano, 59 per carbone)

Ipotesi : fuliggine =0Ipotesi : fuliggine 0

TERMOMETRO INDICATORELa misurazione dellaLa misurazione dellatemperatura dei fumi èun’indicazione essenziale perpstabilire il rendimento dell’impianto. Il termometro i f i bviene fornito con gambo

normale di 150 mm. La scala0°C 500°C permette di0 C – 500 C permette diutilizzarlo su ogni tipod’impianto. La misurazionepdeve essere effettuata avalle dello scambiatore di

l d ll ld i icalore della caldaia in untratto rettilineo

Misuratore di tiraggio (Deprimometro)

È i l l iÈ importante la regolazione ela misura della depressionenella canna fumarianella canna fumaria. Essa varia in funzione del tipo di Caldaia e di calorie bruciate. Si inserisce la sonda nel foro delcamino e si ottiene la misurad ll d i d i f idella depressione dei fumi.

APPARECCHIO DELLA MISURAZIONE DELL’INDICE DI FULIGGINE BACHARACHFULIGGINE BACHARACHPer la sua determinazione è d’uso internazionale il riferimentoall’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 tt filt di t L hi di f li i i lt t iattraverso un filtro di carta. La macchia di fuliggine risultante viene

confrontata con le diverse gradazioni riportate su una scala campione.campione.Sotto e riportato l’apparecchio pompa) con gli accessori necessarialla misurazione. L’ uso e molto semplice:- si inserisce il filtro di carta nell’apposito alloggiamento- si inserisce la sonda nel tubo di scaricosi fanno passare i f mi attra erso il filtro aspirando con la pompa-si fanno passare i fumi attraverso il filtro aspirando con la pompa

per dieci volte e per una durata di 3 secondi, circa, ciascuna.

ANALIZZATORE FYRITE PER CO2I fumi vengono miscelaticon lo speciale liquido cheha la proprietà diha la proprietà didisciogliere il CO2 con laconseguenza di unaconseguenza di unavariazione del volume deigas immessi nell’apparecchio.L’apparecchio garantisceuna precisione di misurauna precisione di misuradi ±0,2% sul valorepercentuale del CO2 dapesso determinato.

Si predispone l’apparecchio (FYRITE) per la misura: - lo si porta a temperatura ambiente si fa in modo di umidificare lelo si porta a temperatura ambiente, si fa in modo di umidificare lepareti 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.

i t l l fi f i id l d ll t t il- si sposta la scala fino a far coincidere lo zero dello strumento con il livello del liquido interno.- si introduce la sonda nell’apposita “presa campione fumi” delsi introduce la sonda nell apposita presa campione 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 liq ido poi si legge s lla scala il alore raggi nto dalattraversi il liquido, poi si legge sulla scala il valore raggiunto dalmenisco del liquido. Il liquido viene cambiato quando la suacolorazione diventa più chiara e quando compare su di esso unacolorazione 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 distinguere le fiamme in due categorie: g gfiamme a diffusione e fiamme premiscelate.

Le fiamme a diffusione si hanno quando la miscelazione Combustibile e comburente ha luogo al momento dellacombustionecombustione.

Le fiamme premiscelate si hanno quando detta miscelazione p qavviene prima della combustione

COMBUSTIONE PRATICA LA FIAMMA SECONDO L’ECCESSO D’ARIAL ECCESSO 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 COMBUSTIBILICOMBUSTIBILI

Combustibili gassosiCombustibili gassosiL a fiamma dei combustibili gassosi è azzurra trasparente nel caso di combustione a premiscelazione, azzurra con sfumature rossastrenel caso di combustione a diffusione.

L di f è d t dif tt d’ i d i d tLa presenza di frange è dovuta a difetto d’aria e ad inadeguata turbolenza

Combustibili liquidi densiCombustibili liquidi densiPer eccessi di aria bassi la fiamma ha un colore giallo bianco abbagliante.Per eccesso d’aria elevati ha un colore giallo rossastro

C b tibili li idi l iCombustibili liquidi leggeriLa fiamma ha luminosità inferiore ed ha delle sfumature azzurreCon aria insufficiente la fiamma è rossastra.Con aria insufficiente la fiamma è rossastra.La luminosità della fiamma può essere aumentata con fortepreriscaldamento.

PRODOTTI DELLA COMBUSTIONE

1. CO ossido di carbonio2 CO2 id id b i2. CO2 anidride cabonica3. C incombusto (fuliggine)4. H2O vapor d’acqua4. H2O vapor d acqua5. N2 azoto6. O2 ossigeno7. SO2 anidride solforosa8. NOX ( OSSIDI DI AZOTO)9 COMBUSTIBILE INCOMBUSTO SE GASSOSO9. COMBUSTIBILE INCOMBUSTO SE GASSOSO10. CENERI (nel caso di combustibili solidi le sostanze minerali presenti formano un residuo che prende nome di ceneri)presenti formano un residuo che prende nome di ceneri)