METODOLOGIE

METODOLOGIE

DI RISPARMIODI RISPARMIO

DI ENERGIADI ENERGIA

TERMICATERMICA

______________

Ing. Nino Di Franco

ENEA-UTEE-IND

Corso di formazione ed aggiornamento professionaleper Energy Managers-Trenitalia

BOLOGNA 15-16 Giugno 2011

IL CONTROLLO DELLA COMBUSTIONE

Il primo passo, propedeutico per unaqualunque diagnosi energetica, è ladeterminazione dell’efficienzaefficienza con cui vieneprodotta potenza termica utile.

Il concetto si traduce nel determinarel’efficienza di combustione dei generatori dicalore presenti, e verificarne la correttezza.

LA COMBUSTIONE

La combustione è una reazione chimica diossidazione caratterizzata da:

sviluppo di calore (la reazione è esotermica) grande velocità di reazione sviluppo in fase gassosa

Affinché possa svilupparsi, la combustionenecessita della presenza di:

un combustibile un comburente un innesco che porti localmente ad elevata

temperatura i reagenti

Gcomb, PCI

Gfluido, hout

Gfluido, hin

Generatore di caloreGeneratore di calore

Gfluido = portata in massadel fluido riscaldato

hfluido out

hfluido in = entalpie del fluidoin ingresso-uscitadal generatore

Gcomb= portata in massa dicombustibile

PCI = potere calorificoinferiore del combustibile

L’efficienza del generatore di calore è definitadalla seguente espressione:

!

Efficienza =Energia fornita al fluido di lavoroEnergia fornita con il combustibile

L’equazione operativa conseguente è:

!

Efficienza =Gfluido " (hfluido out - hfluido in )

Gcombustibile "PCI

necessita di diverse misure (portate, temperature,pressioni dei diversi fluidi).

Nella pratica, si utilizza una differente equazione chetiene in conto tutte le perdite di calore:

Efficienza = 100 – (%perdite)

Per poterla utilizzare, devono essere conteggiateTUTTE le forme di perdite.

Le PERDITE DI CALORE sono energia che non vienetrasferita al fluido di lavoro per incrementarne ilcontenuto energetico, ma che viene onerosamentedissipata nell’ambiente.

!

Efficienza =Gfluido " (hfluido out - hfluido in )

Gcombustibile "PCIL’equazione:

In un generatore di calore hanno luogo tre tipi diperdite:

Q1 = PERDITE NEI FUMI

Q2 = PERDITE PER INCOMBUSTI

Q3 = PERDITE PER IRRAGGIAMENTO

Altri tipi di perdite (per attacca-stacca, per effettocamino allo spegnimento, spurghi, ecc...) sono diminor importanza.

Perdite nei generatori di calore

Calore nelcombustibile

Calorenell’aria

preriscaldataCalore perirraggiamento

Calore alprocesso

Calore sensibilenei gas

Calore perincombusti

Altri tipi diperdite

Bilancio termico di un generatore di calore

!

Q1

= c f "Gf " Tf #Ta( ) [kW ]

1) PERDITE NEI FUMI

• Le perdite nei fumi sono spesso la causa primaria diuna ridotta efficienza di combustione.

• Energia viene dissipata allorché un fumo vienescaricato dal generatore al camino.

• La perdita è funzione della portata di aria cheattraversa il generatore e della temperatura a cui ilgas viene scaricato:

In cui:- cf , Gf , Tf sono rispettivamente calore specifico, portata e temperatura di rilascio del gas

- Ta è la temperatura ambiente

!

Q1

= Ks

Tf "Ta

CO2

!

%[ ]

E’ PIU’ PRATICO ESPRIMERE LE PERDITE COMEPERCENTUALE DELL’ENERGIA NEL COMBUSTIBILEADOTTANDO LA SEGUENTE FORMULA:

- Ks = Costante di Hassenstein (funzione delcontenuto di CO2 nei fumi e del tipo dicombustibile)

- CO2 = Percentuale di Biossido di Carbonio in volume nei fumi

1) PERDITE NEI FUMI

!

Q1

= Ks

Tf "Ta

CO2

[%]

Valori della costante di Hassenstein Ks Combustibile

CO2 Metano Gasolio O.C. Carbone 4 0,418 0,523 0,543 0,683 5 0,427 0,530 0,550 0,684 6 0,437 0,536 0,556 0,685 7 0,447 0,543 0,563 0,686 8 0,457 0,550 0,570 0,687 9 0,466 0,557 0,576 0,688

10 0,476 0,564 0,583 0,689 11 0,486 0,571 0,590 0,690 12 0,578 0,596 0,691 13 0,585 0,603 0,692 14 0,592 0,610 0,693 15 0,694 16 0,695

1) PERDITE NEI FUMI

!

Q1

= Ks

Tf "Ta

CO2

!

%[ ]LA FORMULA:

deriva dallo sviluppo della definizione di una perditapercentuale.

Nel caso per es. della combustione del metano,questo originerebbe:

!

Q1

=cfGf (Tf "Ta )

GcombPCI=

cf 9,6 #11,6

CO2[ ]

+1

$

% &

'

( )

1#PCI(Tf "Ta )

1) PERDITE NEI FUMI

Esercizio

Valutare le perdite per calore sensibile nei fumi percombustione di gasolio, nelle seguenti condizioni:

CO2 misurata nei gas 13,0 %

Temperatura ambiente 20 °C

Temperatura dei gas 230 °C

!

Q1

= Ks

Tf "Ta

CO2

= 0.585 230 " 20

13 = 9.45 [%]

1) PERDITE NEI FUMI

DOSAGGIO DELL’ARIA COMBURENTE

L’Eccesso d’Aria è un’espressione che indica quantaaria in più viene utilizzata rispetto a quantostrettamente necessario.

Se: Vr = Volume di aria reale

Vt = Volume di aria teorico (stechiometrico)

!

Eccesso d'aria E(%) =Vr "Vt

Vt

#100

!

Indice d'aria n =Vr

Vt

"100

!

n =1+E

100

1) PERDITE NEI FUMI

Se l’indice d’aria è: n = 1.34 l’eccesso d’aria è: E = 34%

1) PERDITE NEI FUMI

DOSAGGIO DELL’ARIA COMBURENTE

Elevato eccesso d’aria: elevate perdite nei fumi

Insufficiente eccesso d’aria: presenza di incombusti neifumi

!

n =1

1" 0,048 O2

+ 0,014 CO

Misurando i parametri della combustione, si puòdeterminare l’eccesso d’aria con le seguenti equazionidella combustione:

!

n =CO

2[ ]max

CO2[ ]

1) PERDITE NEI FUMI

Per es., per la combustione del metano si ha laseguente relazione tra CO2 nei fumi ed indiced’aria:

Da una misura della CO2 nei fumi è immediatoricavare l’indice d’aria.

1) PERDITE NEI FUMI

• L’eccesso d’aria deve essere fissato al valore ottimale regolandola portata d’aria in proporzione alla portata di combustibile.

• La misura automatica dell’ossigeno nel gas esausti comandanormalmente un servomeccanismo che pilota la serranda diammissione dell’aria sul bruciatore.

• In funzione della velocità con cui fluttua la richiesta di calore,l’eccesso d’aria è controllato automatica- o manual-mente.

• Allorché l’eccesso d’aria viene ridotto, si possono formareincombusti (es. CO o particolato) che possono eccedere i limiti diemissione.

• Ciò limita la possibilità di aumentare l’efficienza energeticadiminuendo l’eccesso d’aria.

1) PERDITE NEI FUMI

Combustibile

Aria

La portatadei gasesaustiaumenta, econ essa leperdite

Particolatoe CO neigas esausti

ULTERIORI CAUSE DI PERDITE

POSSIBILI CAUSE

NON CORRETTA GEOMETRIA DELLA FIAMMA

OSTRUZIONE O USURA DEGLI UGELLI

VERIFICARE INOLTRE LO STATO DELL’ISOLAMENTONEL MANTELLO

E’ POSSIBILE RISCONTRARE INCOMBUSTI CON UNBRUCIATORE IMPOSTATO CORRETTAMENTE EDANCHE CON ELEVATO ECCESSO D’ARIA

1) PERDITE NEI FUMI

1) PERDITE NEI FUMI

DOSAGGIO DELL’ARIA COMBURENTE:COMPOSIZIONE DEI GAS ESAUSTI

4 regimi di combustione:

1) stechiometrico1) stechiometrico

2) in eccesso d2) in eccesso d’’ariaaria

3) in difetto d3) in difetto d’’ariaaria

4) incompleto4) incompleto

si: CO2, H2O, N2, SO2

no: O2, combustibile, CO

si: CO2, H2O, N2, SO2, O2

no: comb., CO

si: CO2, H2O, N2, SO2, combustibile, CO

no: O2

si: CO2, H2O, N2, SO2, O2, combustibile, CO

no: _ _ _ _

1) PERDITE NEI FUMI

EFFETTO DELLA TEMPERATURA DEI FUMI

Tfumi

Tacqua

K

S

Pt = K S ΔT!

Q1

= c f "Gf " Tf #Ta( )Le perdite nei fumi sono date da:Le perdite nei fumi sono date da:

1) PERDITE NEI FUMI

SE LA POTENZA TERMICA SCAMBIATA È:

...LE CAUSE DI UNA ELEVATA Tf SONO:•LO SPORCAMENTO DELLE SUPERFICI DI SCAMBIOTERMICO (LATO FUMI E/O LATO ACQUA)

•IL NON CORRETTO ACCOPPIAMENTOBRUCIATORE-CALDAIA (BRUCIATORE TROPPOPOTENTE)

SE LA Tf NON PUÒ ESSERE DIMINUITA (ES. CALDAIEAD OLIO DIATERMICO) IL CALORE DEI FUMI PUÒPRERISCALDARE L'ARIA COMBURENTE

K S ΔT

1) PERDITE NEI FUMI

Se i fattori K e S sono bassi, si possono adottarediverse strategie:

K: pulendo le superfici di scambio progressivamente ricoperte daincrostazioni carboniose (lato fumi) o da calcare (lato acqua),allo scopo di mantenere un’alta efficienza di scambio

K: incrementando il trasferimento di calore aumentando latrasmittanza (per es. installando turbolatori, o altri dispositiviche aumentano la turbolenza dei fluidi che si scambianocalore)

S: verificando che l’offerta di calore non ecceda la domanda. Ciòsi controlla pre es. diminuendo la potenza del bruciatore (es.installando un ugello meno potente (per combustibili liquidi), odiminuendo la pressione di ammissione (per combustibiligassosi)

S: aumentando o migliorando le superfici di scambio (difficoltosoda realizzarsi su generatori esistenti)

TURBOLATORIPER IL MIGLIORAMENTO DELLA TRASMITTANZA IN CALDAIE A

TUBI DI FUMO

La potenza termica fornita è: Q = K !S !(Tfumi " Tacqua)

K dipende anche dalla turbolenza dei gas all’internodei tubi

1) PERDITE NEI FUMI

Scheme of a combustion system with an air pre heater-APH

Effetti Cross-media Lo scambiatore recuperativo richiede in genere molto spazio Il ventilatore del bruciatore dovrà sopportare una maggior caduta di

pressione L’alimento di aria preriscaldata al bruciatore, che occupa maggior

volume, può causare problemi di stabilità della fiamma In generale, per ogni 20 °C di abbassamento della temperatura dei

gas esausti si può recuperare 1% di efficienza

1) PERDITE NEI FUMI

!

Q1

= c f "Gf " Tf #Ta( )Le perdite nei fumi sono date da:Le perdite nei fumi sono date da:

La formula mostra che per perdite ed efficienza,la Tf dovrebbe essere la più possibile.

ugello di minor portata

diminuire l’ammissione di combustibile al bruciatore(es. diminuendo la pressione di alimentazione).

effetto benefico sull’efficienza

una temperatura dei fumi troppo bassa può dare gravi problemi di corrosione se il vapor d’acqua condensa su parti metalliche del generatore.

EFFETTO DI BASSA TEMPERATURA DEI FUMI

Tracce di zolfo presenti nel combustibile brucianooriginando SO2. Questa, in presenza di particolaricatalizzatori, ossida ulteriormente ad SO3 la quale, inpresenza di vapor d’acqua, condensa ad acidosolforico.

Questo provoca la corrosione di componenti delgeneratore (di preferenza i condotti dei fumi ed ipreriscaldatori d’aria), costruiti in acciaio al carbonio.

L’uso di acciaio inossidabile o altre leghe èobbligatorio se si vogliono evitare simili problemi (es.caldaie a condensazione)

EFFETTO DI BASSA TEMPERATURA DEI FUMI

1) PERDITE NEI FUMI

1) PERDITE NEI FUMI

Determinazione del Punto di Rugiada acido per gasolio

X

2) PERDITE PER INCOMBUSTI

Quando al bruciatore si rende disponibile meno ariacomburente (e quindi Ossigeno) di quanta necessariaper una completa ossidazione, parte del carbonio nelcombustibile non partecipa alla combustione.

Una combustione incompleta è segnalata dallapresenza di CO e di particolato carbonioso nei fumi(per combustibili liquidi e solidi).

Se non viene aumentata l’aria di combustione, unaquota di energia viene dissipata sotto forma di COcaldo (suscettibile di ulteriore combustione) e/oparticelle incombuste.

2) PERDITE PER INCOMBUSTI

Kc = costante funzione del tipo di combustibile:!

Q2

= KcCO

CO2

+ CO

!

%[ ]

Le perdite per incombusti possono essere calcolatetramite l’equazione della combustione:

CO, CO2 = Percentuale in volume di mono-biossido diCarbonio nei fumi

37,95950,5Kc

MetanoCarboneGasolio

!

La formula: Q2 = KcCO

CO2 + CO

fornisce: Q2 = 37.91

9+1=3.79%

Esercizio

In una combustione di metano, l’analisi dei fumifornisce i seguenti valori:

CO2=9%

CO=1%

Valutare le perdite per incombusti.

2) PERDITE PER INCOMBUSTI

PER DETERMINARE:- l’eccesso d’aria(misurando O2 e/o CO2)- presenza di incombusti- temperatura dei fumi

PER CONOSCERE- l’efficienza dicombustione

ANALISI DELLA COMBUSTIONE

ANALISI DELLA COMBUSTIONE

Valori ottimali dei diversi parametri per diversicombustibili:

METANO GASOLIO

T. fumi(°C) 100-130 140-160

CO2(%) 9,7-10,5 12-14

O2 (%) 1,1-3 1,1-4

Eccesso d'aria(%) 5-20 5-25

Indice Bacharach 0 0-1

CO2,MAX

(%) 11,5 15

Esercizio

Commentare i seguenti valori rilevati duranteun’analisi dei fumi (reale). Combustibile: metano

Caldaia 1 Caldaia 2

Fluido termovettore H2O calda Vapore

T. aria (°C) 30 20

T. fumi (°C) 110 230

O2 (%) 10,4 9,4

Eccesso d'aria (%) 98 81

CO2 (%) 5,9 6,5

CO (ppm) 87 13

Rendimento (%) 94 87,7

Perdite (%) 6 12,3

3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO

• Le perdite per irraggiamente consistono nelle perditeradiative e per convezione da parte del mantello delgeneratore, che si trova sempre a temperaturasuperiore a quella dell’ambiente.

• Simili perdite non variano significativamente al variaredel carico termico: il mantello resta quasi sempre allastessa temperatura durante il servizio.

• Tuttavia, l’incidenza di simili perdite percentualmenteaumenta al diminuire del carico.

• Teoricamente, non ci sarebbero difficoltà nel calcolarequeste perdite tramite le formule dello scambiotermico. Tuttavia è più pratico utilizzare tabelle odiagrammi basati su dati sperimentali.

3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO

generatore 30 MW

carico: 20 MW

perdite radiative = 0.9%

Stato del generatore q3 (%) Ottimo, ad elevato rendimento 1,72 - 0,44 · log Pn Ottimo 3,45 - 0,88 · log Pn Obsoleto, mediamente coibentato 6,90 - 1,76 · log Pn Obsoleto, male coibentato 8,63 - 2,20 · log Pn Obsoleto, privo di coibentazione 10,35 - 2,64 · log Pn

Tabella tratta da norma UNI 10348q3: perdita percentuale per irraggiamento attraverso il mantelloPn: potenza nominale al focolare del generatore, in kW

3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO

Energy Management

Risparmio di energia termica

Nino Di FrancoENEA UTEE-IND

Corso di formazione ed aggiornamentoprofessionale per Energy Managers-TrenitaliaBOLOGNA, 15-16 Giugno 2011