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MATERIALI Unità 3 – Combustione, carburanti, lubrificanti
UNITA’ 3 – COMBUSTIONE, CARBURANTI, LUBRIFICANTI Esercizio 3.1 Calcolare il potere calorifico superiore e inferiore del gas metano che brucia secondo la reazione CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O sapendo che l’entalpia della reazione con formazione di H2O allo stato liquido è ∆H = - 890,8 KJ Per calcolare Qs: 22,4 (l CH4):890,8(KJ)= 1000 (l CH4) :x (KJ) x=39768 KJ/Nm3 prodotti da 1 Nm3 di CH4 = Qs Per calcolare Qi , con riferimento alla Qi = Qs - n · 2500 occorre calcolare n, ovvero i kg di acqua formatisi nella combustione di 1 Nm3 di CH4 (1000 litri di CH4). Dalla reazione si ricava: 22,4 (l CH4) : 2·18 (g H2O) = 1000 (l CH4): x x = 1607 g = 1,607 kg. Qi = 39768 – 1,607·2500 = 35751 kg/Nm3. Esercizio 3.2 Calcolare il potere calorifico inferiore e superiore del gas etano, C2H6 , che brucia secondo la reazione: 2 C2H6 + 7 O2 4 CO2 + 6 H2O sapendo che l’entalpia della reazione con formazione di H2O allo stato di vapore è ∆H = - 2809,4 KJ. Risposta: Qi = 62709 KJ/Nm3 e Qs = 68737 KJ/ Nm3
Esercizio 3.3 Calcolare il potere calorifico inferiore e superiore dell’alcol etilico liquido (peso molecolare 46) che brucia secondo la reazione: CH3 CH2 OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O sapendo che l’entalpia della reazione con formazione di H2O allo stato di vapore è ∆H = - 1234,7 KJ.
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Per calcolare Qi : 46 (g alcol) : 1234,7 (KJ) = 1000 (g alcol) : x (KJ) x = 26841 KJ/Kg = Qi Per calcolare n della relazione Qs = Qi + n · 2500 , dove n è il numero di Kg di acqua formatasi nella combustione di 1 Kg di alcol liquido: 46 (g alcol):3·18 (g H2O) = 1000 (g alcol) : x x = 1174 g H2O = 1,174 Kg di H2O Qs = 26841 + 1,174· 2500 = 29776 KJ/Kg Esercizio 3.4 Calcolare il potere calorifico superiore e inferiore dell’ottano liquido ( C8 H18, peso molecolare 114) che brucia secondo la reazione: C8 H18+ 25/2 O2 8 CO2 + 9 H2O sapendo che l’entalpia della reazione con formazione di H2O allo stato liquido è ∆H = - 5.531 KJ Risposta: Qs = 48518 KJ/Kg; Qi = 44965 KJ/Kg Esercizio 3.5 Un combustibile solido ha la seguente composizione elementare: C=88% in peso; H=5%; O=4%; S=1%; ceneri 2% e un potere calorifico superiore di 34936 KJ/Kg. Calcolarne il potere calorifico inferiore.
Risposta:
Occorre determinare i Kg di H2O formatisi nella combustione di un Kg di combustibile nel quale sono contenuti 50 g di H (=5% in peso).
La reazione di combustione dell’H è
2H + 1/2O2 H2O
ovvero 2 g di idrogeno bruciando producono 18 g di H2O
2 (g H): 18 (g H2O) = 50 (g H): x (g H2O)
x = 450 g H2O = 0,45 Kg H2O
Qi = Qs – n·2500 = 34936 – 0,45·2500 = 33.811 KJ/Kg
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Esercizio 3.6
L’alcol etilico liquido C2H5OH (peso molecolare 46) ha un potere calorifico inferiore di 26.840 KJ/Kg. Calcolarne il potere calorifico superiore sapendo che la reazione di combustione è la seguente:
C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O
Risposta:
Qs = 29775 KJ/Kg
Esercizio 3.7
Un gas ha la seguente composizione (% in volume):
CH4 = 80 %
C2H6 = 4 %
N2 = 16 %
e un potere calorifico inferiore di 31087 KJ/Nm3. Calcolare il potere calorifico superiore.
Risposta:
Le reazioni di combustione di CH4 e C2H6 (N2 non brucia) sono: CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3 H2O
in 1 Nm3 di gas ci sono 0,8 Nm3 di CH4 che formano H2O
22,4 : 2·18 = 0,8 : x; x = 1,286 Kg H2O
in 1 Nm3 di gas ci sono 0,04 Nm3 di C2H6 che formano H2O
22,4 : 3·18 = 0,04 : x; x = 0,096 Kg H2O
In totale da 1 Nm3 di combustibile si sono formati 1,286 + 0,096 = 1,382 Kg H2O
Qs = Qi + 1,382·2500 = 34542 KJ/Nm3
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Esercizio 3.8
Calcolare l’aria teorica necessaria per la combustione di 1 Nm3 di gas metano, sapendo che, approssimativamente, nell’aria ogni volume di O2 è accompagnato da 3,8 volumi di N2 , che non reagisce, per formare 4,8 volumi di aria.
Risposta: CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
1 Nm3di CH4 brucia con 2 Nm3 di O2 che sono contenuti in 2·4,8= 9,6 Nm3 di aria.
Esercizio 3.9
Calcolare l’aria teorica di combustione necessaria per la combustione di un Kg di alcol etilico liquido (C2H5OH ; peso molecolare = 46).
Risposta:
C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O
46 (g alcol): 3·22,4·4,8 (l aria) = 1000:x
x= 7012 litri = 7,012 Nm3 di aria.
Esercizio 3.10
Calcolare l’aria teorica necessaria per la combustione di 1 Nm3 di gas etano, C2H6, che brucia secondo la reazione:
2C2H6 + 7 O2 4 CO2 + 6 H2O
Risposta:
16,8 Nm3 di aria.
Esercizio 3.11
Calcolare l’aria teorica necessaria per la combustione di 1 Kg di ottano liquido (C8 H18; peso molecolare 114) che brucia secondo la reazione:
C8 H18+ 25/2 O2 8 CO2 + 9 H2O
Risposta:
11,8 Nm3 di aria
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Esercizio 3.12
Calcolare l’aria necessaria per bruciare con un eccesso del 30% rispetto al teorico, 1 Kg di un combustibile solido con la seguente composizione percentuale in peso:
C= 82 %; H= 4%; O= 8%; N2=2%; S=2 %;Ceneri= 2%
(pesi atomici: C = 12; H = 1; S=32)
Risposta:
Occorre premettere che N2 e ceneri non partecipano alla combustione e che l’ossigeno presente nel combustibile deve essere sottratto da quello da apportare con l’aria per bruciare C, H e S.
C) C+O2 CO2 12(g C): 22,4( l O2)= 820 (g di C in 1 Kg):x
x=1530 litri di O2 a condizioni normali (c,n)
H) 2H + 1/2O2 H2O 2(g H): 11,2( l O2)= 40 (g H):x
x = 224 litri di O2 a c.n
S) S+O2 SO2 32(g S): 22,4( l O2)= 20 (g di S):x
x= 14 litri di O2 a c.n.
In totale sono necessari per la combustione di C, H e S
1530 + 224 + 14 = 1768 l di O2 a c.n.
Bisogna ora sottrarre l’ossigeno presente nel combustibile
32 (g O2) : 22,4 = 80: x; x = 56 l di O2 a c.n.
L’ossigeno da apportare con l’aria è 1768-56 = 1712 l di O2 a c.n. corrispondenti a 1,712·4,8 = 8,22 Nm3 di aria. Tenuto conto che si è utilizzato un eccesso d’aria del 30%, si ha che l’aria impiegata è
8,22 + ⋅10030 8,22 = 10,686 Nm3
Esercizio 3.13
Calcolare l’aria teorica necessaria per la combustione di 5 m3 di un gas con la seguente composizione percentuale in volume:
H2 = 50 %; CO = 40 %; CH4 = 3 %; CO2 = 4 %; N2 = 3 %
Risposta:
12,24 Nm3 di aria.
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Esercizio 3.14
Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Nm3 di CH4 secondo la reazione
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
Risposta:
1 Nm3 di CH4 produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O
1 Nm3 di CH4 brucia con 2 Nm3 di O2 che sono accompagnati da 2·3,8 = 7,6 Nm3 di N2 .
Il volume totale dei fumi è 1 (CO2) + 2 (H2O) + 7,6 (N2) = 10,6 Nm3.
Esercizio 3.15
Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Kg di alcol etilico liquido (peso molecolare 46) secondo la C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O
Risposta:
CO2) 46:2·22,4 = 1000 : x; x = 973,9 l = 0,9739 Nm3
H2O) 46:3·22,4 = 1000 : x ; x = 1460,9 l =1,4609 Nm3
N2) 46:3·22,4·3,8 = 1000 : x ; x = 5551,3 l = 5,5513 Nm3
I fumi totali ammontano a 7,9861 Nm3.
Esercizio 3.16
Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Nm3 del gas etano, C2H6, secondo la
C2H6 + 7/2 O2 2CO2 + 3 H2O
Risposta:
2 Nm3 di CO2 ; 3 Nm3 di H2O; 13,3 Nm3 di N2 ; totale 18,3 Nm3.
Esercizio 3.17
Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Kg di ottano liquido, C8 H18 , (peso molecolare 114) secondo la reazione
C8 H18+ 25/2 O2 8 CO2 + 9 H2O
Risposta:
1,572 Nm3 di CO2 ; 1,768 Nm3 di H2O; 9,333 Nm3 di N2 in totale 12,673 Nm3
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Esercizio 3.18
Calcolare i volumi dei gas presenti nei fumi ottenuti bruciando 5 kg di alcol metilico liquido (CH3OH; peso molecolare = 32) secondo la reazione
2 CH3OH+ 3 O2 2 CO2 + 4 H2O
Risposta:
3,5 Nm3 di CO2 ; 7Nm3 di H2O; 19,95 Nm3 di N2
Esercizio 3.19
I fumi ottenuti bruciando con l’aria teoria 1 Nm3 di un combustibile gassoso di composizione
H2 = 45% (in volume); CO =36 %; CH4 = 14 %; C2H6 = 3%;N2 = 2 %
Sono costituite da:
H2O = 820 l
CO2 = 560 l
N2 = 3002 l
in totale 4382 l. Calcolare la composizione % in volume dei fumi.
Risposta:
H2O = %71,181004382820
=⋅
CO2 = %78,121004382560
=⋅
N2 = %51,6810043823002
=⋅
Esercizio 3.20
Calcolare la temperatura teorica di combustione di un combustibile gassoso costituito da 50% (in volume) di H2 e da 50% di N2 che ha un potere calorifico inferiore di 5398 KJ/Nm3.
Occorre disporre della tabella dei calori sensibili.
Risposta:
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Premesso che solo l’idrogeno partecipa alla combustione secondo la reazione
2H + 1/2O2 H2O è necessario conoscere la composizione dei fumi ottenuti bruciando 1 Nm3 di combustibile.
H2O) 0,5 Nm3 di H2 producono 0,5 Nm3 di H2O; l’ossigeno consumato è la metà dell’idrogeno, cioè 0,25 Nm3 che sono accompagnati da 0,25·3,8 = 0,95 Nm3 di N2
N2) 0,5 Nm3 nel combustibile + 0,95 apportati con l’aria teorica.
In totale 0,5+0,95 = 1,45 Nm3 di N2
Dalla tabella dei calcoli sensibili si ricavano questi dati:
1700 °C: i calori sensibili (riferiti a 1 Nm3) di H2O e N2 valgono 3205 e 2484 KJ; tenuto conto dei gas presenti nei fumi per riscaldarli a 1700 °C occorrono 0,5·3205 + 1,45·2484 = 5204 KJ
1800°C : i calori sensibili valgono 3430 (H2O) e 2647 (N2) KJ 0,5 ·3430 + 1,45 ·2647 = 5553 KJ
La soluzione grafica porta al valore di 1756 °C.
Q
5398
5553
5204
1700 1756 1800 °C
Esercizio 3.21
Calcolare la temperatura teorica di combustione di un combustibile liquido costituito dall’86% in peso di C e dal 14 % di H il cui potere calorifico inferiore vale 42874 KJ/Kg
C+O2 CO2
2H + 1/2O2 H2O
Risposta:
Occorre calcolare la composizione dei fumi:
C) 12:22,4 = 860:x ; x = 1605 l = 1,605 Nm3 di O2 consumato e di CO2 formatasi
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H) 2:11,2 = 140:x ; x = 784 l = 0,784 Nm3 di O2 consumato;
si sono formati 0,784·2 =1,568 Nm3 di H2O
ossigeno totale consumato 1,605+0,784=2,389 Nm3 O2
N2 passato nei fumi 2,389·3,8 = 9,078 Nm3
Dalla tabella dei calori sensibili:
2000 °C 2200 °C
CO2 1,605 · 4851 + 1,605 ·5394 +
H2O 1,568 · 3890 + 1,568 · 4361 +
N2 9,078 · 2967 = 9,078 · 3292 =
____________________________________________
40820 45380
La soluzione grafica porta al valore di 2090°C.
Esercizio 3.22
Con riferimento al precedente esercizio 3.21 calcolare la temperatura di combustione nel caso in cui si sia impiegato un eccesso d’aria del 20 % rispetto al teorico.
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Risposta:
Il 20 % in eccesso corrisponde al 20 % dell’ossigeno totale consumato moltiplicato per 4,8. Vale cioè:
293,28,410020398,2 =⋅⋅ Nm3 di aria che passano nei fumi. Utilizzando la tabella dei calori sensibili
anche per l’aria si ha:
1700°C 1800°C
CO2 1,605·4047 + 1,605·4316 +
H2O 1,568·3205 + 1,568·3430 +
N2 9,078·2484 + 9,078·2647+
aria 2,293·2514 = 2,293·2675 =
39835 42945
La soluzione grafica porta al valore di 1798°C.
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Esercizio 3.23
Con riferimento all’esercizio 3.20 calcolare la temperatura di combustione nel caso in l’aria teorica di combustione fosse stata preliminarmente preriscaldata a 300°C.
Risposta:
L’ossigeno necessario alla combustione era pari a 25 Nm3 cui corrispondevano 0,25·4,8= 1,2 Nm3di aria. Dalla tabella dei calori sensibili, che indica in 396 KJ il calore necessario a riscaldare a 300°C 1 Nm3 di aria, si ricava che il preriscaldamento di 1,2 Nm3 comporta un numero di J pari a 396·1,2=475 KJ. Questi KJ vanno sommati ai 5398 KJ del potere calorifico inferiore del combustibile. Per riscaldare lo stesso volume di fumi sono ora disponibili 5398+475= 5873 KJ.
Dalla tabella dei calori sensibili si ha:
1800°C 1900°C
H2O 0,5·3430 + 0,5·3656+
N2 1,45·2647 = 1,45·2804=
5553 KJ 5894 KJ
La soluzione grafica porta al valore 1899°C.
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Esercizio 3.24
Calcolare il potenziale termico del gas metano sapendo che il potere calorifico inferiore vale 35751 KJ/Nm3 .
Risposta:
CAT
it VV
QP
+=
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
Qi = 35751 KJ/Nm3
Vat) a 2 Nm3 O2 corrispondono 2·4,8= 9,6 Nm3 di aria
Vc= 1
3/337316,9
35751 NmKJPt =+
=
Esercizio 3.25
Calcolare il potenziale termico dell’alcol etilico, C2H5OH , liquido sapendo che il potere calorifico inferiore vale 26841 KJ/Kg e che il calore di vaporizzazione vale 920 KJ/Kg. Peso molecolare di C2H5OH = 46.
Risposta:
CAT
vit VV
QQP
++
= C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O
VAT) 46:3·22,4·4,8= 1000:x; x= 7012 l= 7,012 Nm3
Vc) 46:22,4= 1000:x; x= 487 l= 0,487 Nm3
3/3702487,0012,7
92026841 NmKJPt =++
=
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Esercizio 3.26
Calcolare il potenziale termico dell’ottano, C8 H18, liquido sapendo che il potere calorifico inferiore vale 44965 KJ/Kg e che il calore di vaporizzazione vale 420 KJ/Kg.
C8 H18+ 25/2 O2 8 CO2 + 9 H2O
Risposta:
3787 KJ/Nm3
Esercizio 3.27
Calcolare il potenziale termico di un gas costituito dal 60% (in volume) di CH4 ; 20% di H2 e 20% di N2 sapendo che il potere calorifico inferiore vale 23605 KJ/N3 .
VAT) Calcolare prima l’ossigeno necessario alla combustione
CH4) CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
0,6·2= 1,2 Nm3
H2 ) H2+ 1/2O2 H2O
0,2·1/2= 0,1
in totale 1,2+0,1=1,3 Nm3 di O2 pari a 1,3·4,8= 6,24 Nm3 di aria.
3/3260124,6
23605 NmKJPt =+
=
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