Generatori di calore

Il generatore di calore a combustibile

I generatori di calore

più usuali sono le

caldaie. In esse un

combustibile solido,

liquido o gassoso viene

fatto reagire con

l’ossigeno contenuto

nell’aria atmosferica. Da

tale reazione chimica di

ossidazione viene

prodotto calore e

prodotti gassosi di

combustione (fumi)

Superficie di Confinedel Sistema

Fumi

CombustibileCalore disperso

ECH

Aria comburente Generatore di calore

Fluido in uscita

Fluido in ingresso

QD

QF

La combustioneIl 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.

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]

Il potere calorifico inferiore (Pci) definisce la quantità di calore liberata durante una combustione completa, quando l'acqua che si viene a formare è sotto forma di vapore.

Il potere calorifico superiore (Pcs) definisce la quantità di calore liberata durante una combustione completa, incluso il calore latente di evaporazione contenuto nel vapore acqueo dei gas di combustione.

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;metalliossidi di Zolfo (SO2, SO3)

e) Emissioni risultanti dagli additivi

La produzione di NOx varia con il tempo di permanenza dei gas combusti nel campo delle elevate temperature, con la temperaturadella fiamma e con la pressione di O2 nella zona di reazione (meno O2 � meno NOx)

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

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 UtileÈ il rapporto tra la potenza termica utile e la potenza termica al focolare [-].

In funzione Spento

Rendimento della caldaia

Br

N

u

uBr

A

S

N

Q

Q

mkWhlecombustibidelcaloriferopotereH

hmlecombustibidiorariaportataB

BHfocolarealPotenzaQ

fumidaidispersaPotenzaQ

funzioneincaldaiatorivestimendaldispersaPotenzaQ

caldaiadellautilePotenzaQ

&

&

&

&

&

&

=

=

=

⋅==

=

=

=

η

]/[

]/[

)(

3

3

)()(

1001

2

1 BCO

Aq

H

HHqq

LAA

i

isSAk

⋅⋅−=

⋅

−+

−−=

θθ

αη

Rendimento caldaia a condensazione

θA = temperatura dei fumi;θL = temperatura aria;A1, B = fattori di combustione;α = indice di condensazione

(quantità di acqua di condensa/quantità teorica)CO2 = concentrazione di anidride carbonica;qA = dispersione dei gas di scaricoqS = dispersioni per irraggiamentoHi = potere calorifero inferiore;Hs = potere calorifero superiore

Il generatore di calore:

teste di combustione

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.

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.

Tipi di funzionamentoA 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.

Multistadio sono a due o più stadi di potenza, del tipo tutto/poco e cioè portata max/portata parziale/spento.

- Modulanti sono a potenza variabile tra il minimo e massimo e cioè portata max/portata intermedia variabile/spento.

Bruciatori ceramici

Bruciatori ceramiciMateriali

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°Cle leghe metalliche fino a 1250 °C

Il generatore di calore:

caldaia a basamento,

gruppi termici

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%)

Rendimento minimo secondo la Direttiva Europea 92/42 CEE

Scarico condensa

Con le caldaie a bassa temperatura di tipo convenzionale, le superfici di scambio termico devono essere realizzate in modo da evitare la condensazione dei gas di combustione nella caldaia. Il discorso cambia per le caldaie costruite in funzione dell'utilizzo della tecnica della condensazione.

I gas di combustione vengono convogliativerso il basso, in prossimità dell'attaccodi ritorno.

Nelle caldaie a bassa temperatura, devo evitare la condensa dal lato fumi.

La temperatura superficiale del tubo a contatto con il gas èdeterminata 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

Devo dosare lo scambio termico

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

Scambio termico in regime laminare

Schema della tecnica di condensazione

Nota: È auspicabile l’impiego di circolatori modulanti che adattano la portata di acqua ai requisiti del sistema

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.

P P

Bollitore per H2O sanitaria

Equilibratore idraulico

OHrictrascaldaia QbQQQ 2][ &&&& +⋅+=

= potenza termica dispersa per trasmissione dall’involucro riscaldato

(pareti opache e trasparenti, ponti termici,…) [W];

= potenza dispersa per il ricambio dell’aria dovuto alle infiltrazioni [W];

tale potenza può essere determinata con la seguente espressione:

= 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.

trasQ&

ricQ&

ricQ&

La potenza termica di progetto

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

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.

40086)(

2 ⋅

−⋅⋅⋅⋅=

η

ρ aeaOH

ttGcnQ&

L’acqua calda per uso sanitario

Calore per la produzione di acqua calda

Qw = ρ c Vw (θw – θ0) ngg

Volume giornaliero

[l / giorno] d’acqua calda richiesta

Temperatura dell’acqua calda prodotta (standard =

40°C-45°C)

Temperatura dell’acqua entrante nel sistema di produzione

Per edifici residenziali:

Vw = mw S fbagni

Superficie lorda Fabbisogno specifico m’w

[l/(m2 gg)]Q’w

[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