1

LE P

RIN

CIPA

LI C

ARA

TTER

ISTI

CHE

DEI

GA

S CO

MBU

STIB

ILI

9

1.1 Le principali caratteristiche dei gas combustibili

I tipi di gas utilizzato e il concetto di intercambiabilità

I gas che utilizziamo sono il gas naturale, comunemente conosciuto come Metano1 e il GPL, una miscela di gas dove Propano e Butano sono la componente prioritaria. In alcune zone d’Italia sono presenti anche impianti di aria propanata, cioè una miscela di aria e Propano, mentre è ormai praticamente cessata la distribuzione del gas manifatturato, cosiddetto “gas di città”, ottenuto dalla distillazione del coke.

Metano

Il gas più utilizzato è il Metano; con questo termine si individua un gas di origine naturale presente in giacimenti sotterranei a pressioni molto elevate, da qui viene estratto attraverso pozzi e veicolato fino ai punti di utilizzo attraverso una estesa rete di condotte. La composizione del gas naturale vede una percentuale elevata di Metano, un idrocarburo semplice appartenente alla famiglia degli alcani costituito da un atomo di carbonio e quattro di idrogeno. La sua molecola presenta una forma tetraedrica nello spazio e i suoi legami chimici sono causa di un’ibridazione dell’atomo di Carbonio centrale. A temperatura e pressione ambiente si presenta come un gas incolore, inodore e molto infiammabile. Eccetto per la combustione, le reazioni che lo vedono protagonista avvengono a pressioni e temperature molto elevate. Sono tuttavia presenti anche percentuali meno rilevanti di altri composti di natura idrocarburica come Etano, Propano, Butano ecc. La pressione presente del gas naturale nei giacimenti è estremamente elevata, ma mano a mano che la rete si avvicina ai punti di utilizzo, viene ridotta; fino a giungere all’interno delle abitazioni dove la pressione massima ammessa dalla regolamentazione vigente raggiunge valori di qualche decina di millibar.

Lungo il percorso delle tubazioni, conformemente alle disposizioni della Legge 6/12/1971 n. 1083, al Metano viene aggiunto un gas odorizzante per rendere avvertibile la sua presenza in caso di dispersioni, questo perché in natura il Metano non ha un odore specifico percettibile.

Il gas naturale a temperatura ambiente ed a pressione atmosferica ha una densità minore di quella dell’aria (densità relativa all’aria circa 0,6), quindi un’eventuale dispersione tende naturalmente di disperdersi verso l’alto dove potranno formarsi miscele pericolose di aria e gas.

1 Nel momento in cui si redige il manuale è in stato di avanzata redazione le normativa che consentirà l’immissione nella rete di distribuzione del biometano, si tratta di un gas prodotto da fonti rinnovabili che, dopo un processo di purificazione e upgrading, può essere immesso nella rete del gas naturale, questo gas non essendo ancora distribuito non è trattato nel manuale.

1capitoloLE PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEI GAS COMBUSTIBILI

1

LE P

RIN

CIPA

LI C

ARA

TTER

ISTI

CHE

DEI

GA

S CO

MBU

STIB

ILI

10

CENTRALI TERMICHE PER IL RISCALDAMENTO CIVILE - Norme e regole per l’installazione a regola d’arte

Gas di Petrolio Liquefatto

Il secondo (per utilizzo) tipo di gas per che viene utilizzato nelle abitazioni è il GPL, acronimo di Gas di Petrolio Liquefatto. Il nome deriva dal fatto che i componenti sono in forma gassosa a temperatura ambiente ed a pressione atmosferica, ma vengono liquefatti per effetto della pressione. In questo modo è possibile trasportare rilevanti quantità di gas in contenitori di dimensioni contenute. Possiamo avere impianti alimentati con gas distribuito in bombole, oppure da piccoli depositi domestici (serbatoi), o da reti di distribuzione comuni a più edifici.

Il GPL è in realtà una miscela di gas diversi, trai quali i più frequenti sono il Propano e il Butano in miscele di vario titolo secondo l’uso specifico cui sono destinate; la miscela utilizzata nelle bombole prevede il 70% di normal-Butano e il 30 % di Propano.

Il GPL si ottiene in diversi modi: da giacimenti metaniferi, dalla distillazione del petrolio greggio, dal frazionamento del gas naturale o dalle lavorazioni di impianti petrolchimici.

A temperatura ambiente ed a pressione atmosferica si presenta sotto forma di gas, ma è molto più denso dell’aria (Butano 2,0 e Propano 1,5, GPL in miscela circa 1,7), quindi tende a rimanere a livello del suolo o ad andare ad occupare le zone del terreno più basse, come i piani interrati, le caditoie, i tombini, ecc.; questa caratteristica lo rende particolarmente insidioso perché una perdita all’interno di un edificio tende a permanere e ad accumularsi fino al momento in cui inevitabilmente si incontra una sorgente di innesco.

Il GPL viene commercializzato in bombole (bidoni) o in piccoli serbatoi (depositi) posti presso l’utente. In alcune zone isolate e non raggiungibili dalle reti di distribuzione del gas naturale sono state realizzate anche delle reti di distribuzione del GPL o aria propanata.

Come per il Metano, anche il GPL viene odorizzato come stabilito dalla Legge 6 dicembre 1971 n. 1083, inoltre il gas utilizzato nelle abitazioni viene denaturato, cioè viene aggiunta una sostanza che lo rende tracciabile e distinguibile da quello utilizzato per l’autotrazione.

L’uso dei gas è favorito dal fatto che la combustione non produce sostanze fortemente inquinanti: le sostanze prodotte sono essenzialmente il vapore d’acqua e l’anidride carbonica. Inoltre i prodotti della combustione non hanno odore specifico e non si formano depositi di incombusti o incrostazioni.

Classificazione

Le caratteristiche dei gas variano in funzione della composizione e delle condizioni fisiche (pressione e temperatura), quindi si è reso necessario stabilire una serie di condizioni e parametri di riferimento che permettono l’uso di questi combustibili senza cadere in errori. Siccome questa pubblicazione ha lo scopo di definire i modi per eseguire una serie di verifiche per stabilire lo stato dell’impianto, è necessario definire alcune delle classificazioni che sono previste dalle norme in modo di garantirne la migliore applicazione possibile.

La prima classificazione è quella che distingue i gas combustibili in Famiglie sulla base dell’indice di Wobbe inferiore che a sua volta è direttamente correlato al potere calorifico inferiore del combustibile.

1

LE P

RIN

CIPA

LI C

ARA

TTER

ISTI

CHE

DEI

GA

S CO

MBU

STIB

ILI

11

LE PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEI GAS COMBUSTIBILI

Il potere calorifico superiore è la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente.Si definisce potere calorifico inferiore “il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d’acqua durante la combustione”. Questo è il valore a cui si fa usualmente riferimento quando si parla di potere calorifico di un combustibile e di rendimento di una macchina termica.

Se due gas hanno lo stesso indice di Wobbe, sono intercambiabili tra di loro e di conseguenza un apparecchio a gas può essere alimentato indifferentemente con entrambi i gas senza modifiche. Sono previste tre Famiglie a loro volta suddivise in gruppi. Al fine pratico la situazione è la seguente:

Famiglia Tipo Gas Indice di Wobbe

Prima famiglia Gas di cittàGas Manifatturato Da 20,5 Mj/m3 a 28,7 Mj/m3

Seconda famiglia Gas Naturale Da 37,1 Mj/m3 a 52,4 Mj/m3

Terza Famiglia GPL Da 72 Mj/m3 a 85,3 Mj/m3

La seconda classificazione è definita alla norma UNI 9165 ed è inerente alla pressione di distribuzione negli impianti di derivazione di utenza del gas, cioè le condotte che veicolano il gas nelle abitazioni.

Specie Famiglia gas Pressione maggiore di Fino a4a specie 0,15 MPa 0,5 MPa

5a specie 0,05 MPa 0,15 MPa

6a specie Prima Famiglia (Gas città e manifatturato) 0,004 MPa 0,05 MPa

6a specie Terza Famiglia (GPL) 0,0007 MPa 0,05 MPa

7a specie Prima e Seconda Famiglia (Gas città o manifatturato e gas naturale) 0,004 MPa

7a specie Terza Famiglia (GPL) 0,007 MPa

Gli impianti oggetto della pubblicazione sono quelli della 7a specie.

Densità relativa [d] Famiglia gas Pressione massima (mbar)

< 0,8 Prima Famiglia (Gas città o manifatturato)Seconda Famiglia (gas naturale) 40

> 0,8 Terza Famiglia (GPL) 70

Correlazione tra unità di misura della pressionePa mbar bar MPa1 0,01 0,00001 0,000001

100 1 0,001 0,0001

1000 10 0,01 0,001

100000 1000 1 0,1

1000000 10000 10 1

Intercambiabilità

L’intercambiabilità può essere definita come la possibilità di sostituire, in un’utilizzazione, un tipo di gas con un altro.

1

LE P

RIN

CIPA

LI C

ARA

TTER

ISTI

CHE

DEI

GA

S CO

MBU

STIB

ILI

12

CENTRALI TERMICHE PER IL RISCALDAMENTO CIVILE - Norme e regole per l’installazione a regola d’arte

Un gas si dice intercambiabile se la sua sostituzione non comporta la necessità di effettuare regolazioni o modifiche di componenti del sistema e il funzionamento risulta soddisfacente.

I due gas coinvolti devono quindi avere una potenza termica ragionevolmente simile, una buona stabilità della fiamma e devono compiere un processo di combustione completa.

1.2 Nozioni fondamentali sui gas

Ma per meglio analizzare i fenomeni che avvengono durante il processo di combustione di una fonte di energia di tipo gassosa, Metano o GPL che sia, è necessario osservare alcune proprietà e caratteristiche comuni a queste sostanze.Cosa si intende quindi con “gas”?Si parla di gas quando le molecole di una sostanza non hanno coesione tra loro e sono libere di muoversi in qualunque direzione.

Tutte le sostanze, anche liquide e solide, sono poi descritte da una formula chimica, utilizzata per identificarle. Questa dipende dalle molecole che compongono le sostanze, a loro volta dipendenti dal numero di atomi che le compongono.

Gas come il Metano possono trovarsi in forma liquida solo a temperature molto basse o pressioni elevate, comunque superiori a quelle atmosferiche. Il punto di ebollizione di una sostanza è quello caratterizzato dalla temperatura necessaria per farla passare di stato alla pressione atmosferica (da liquido a gassoso).

La densità relativa è il rapporto tra le masse di un volume di gas e lo stesso volume di aria secca, ovviamente con aria e gas nelle stesse condizioni di riferimento.

La quantità di calore che può essere fornita da un processo di combustione di una sostanza gassosa dipende da due categorie di elementi:

• La densità relativa all’aria;

• Le dimensioni dell’iniettore e la pressione del gas all’interno del sistema.

Caratteristica di ogni gas è il limite di infiammabilità: la combustione può infatti innescarsi solo per definiti valori del rapporto aria/gas, in letteratura sono disponibili i valori dei limiti di infiammabilità dei più comuni tipi di gas.Ma quanta aria è realmente necessaria affinché avvenga la combustione completa di un’unità di combustibile? Se l’aria presente nel sistema non è sufficiente, la combustione che eventualmente potrebbe essere sostenuta, sarebbe incompleta e verrebbe prodotta un’eccessiva quantità di monossido di carbonio. Qualora l’aria fosse in eccesso, gli inquinanti prodotti sarebbero altri, come ad esempio gli ossidi dell’azoto.

Nella tabella sottostante sono riportate le principali proprietà dei gas combustibili utilizzati oggigiorno.

Proprietà Metano GPL Propano GPL ButanoFormula chimica CH4 C3H8 C4H10

Punto di ebollizione -162° C -42° C -2° C

1

LE P

RIN

CIPA

LI C

ARA

TTER

ISTI

CHE

DEI

GA

S CO

MBU

STIB

ILI

13

LE PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEI GAS COMBUSTIBILI

Peso specifico di combustibile liquido - 0.5 0.57

Peso specifico del gas 0.58 1.78 2.0

Calore specifico 38.5 MJ/m cubo 95 MJ/m cubo 121.5 MJ/m cubo

Famiglia di Gas 2 3 3

Limiti di infiammabilità 5-15% 2.3-9.5% 1.9-8.5%

Rapporto Aria/Gas 9.81:1 23.8:1 30.9:1

Rapporto Ossigeno/gas 2:1 5:1 6.5:1

Velocità di fiamma 0.36 m/s 0.46 m/s 0.38 m/s

Temperatura di inizio combustione 704° C 530° C 500° C

Temperatura massima di fiamma 1000° C 1980° C 1996° C

Pressione operativa 21 +- 2 mbar 37 +- 5 mbar 28 +- 5 mbar

Pressione di accumulo liquido - 6-7 bar 1.5-2 bar

1.3 Il processo di combustione

Il processo di combustione è costituito da una serie di reazioni chimiche tra sostanze composte da atomi di idrogeno e carbonio, comburente e ossigeno presente nell’aria, con il fine di ottenere dei prodotti ad un minore quantitativo energetico e una certa quantità di energia sotto forma di calore di combustione.Ma per osservare meglio i fenomeni che avvengono durante questi processi, facciamo un esempio: quello della combustione del Metano.

Il gas Metano brucia in presenza di ossigeno. Una molecola di Metano (combustibile) ne richiede due di ossigeno (comburente) e, durante il processo, la struttura molecolare del primo cambia in una nuova forma. I prodotti di reazione sono altre sostanze gassose, definibili come prodotti della combustione. Dalla combustione (ideale) di una molecola di Metano si ottengono una molecola di anidride carbonica (CO2), due molecole di acqua (H2O) sotto forma di vapore ed energia.

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Va quindi evidenziato che per ogni metro cubo di gas naturale consumato, ne vengono prodotti quasi due di vapore acqueo.

Nel momento in cui avviene la reazione di combustione, si può osservare un cambiamento visivo del sistema consistente in una fiamma. Con il diffondersi della miscela aria/combustibile, però, la transizione da reagenti a prodotti non è istantanea. Il calore generato dalle fiamme causa la rottura dei legami dei primi che vanno a formare composti intermedi come alcoli o aldeidi, ma anche sostanze più semplici. Queste, successivamente, se la quantità di aria è sufficiente, proseguono la combustione finché non è completa; si ha così la formazione dei classici prodotti evidenziati nella reazione sopracitata. Tuttavia, se la quantità d’aria non è sufficiente o si fuoriesce dai limiti di infiammabilità, si avranno incombusti rilasciati in atmosfera.

Il più noto inquinante dato da una non completa combustione è il monossido di carbonio, CO. Questo può avere effetti letali per l’uomo perché non è avvertibile e, in elevate concentrazioni, può portare alla morte dell’individuo in pochi minuti.

1

LE P

RIN

CIPA

LI C

ARA

TTER

ISTI

CHE

DEI

GA

S CO

MBU

STIB

ILI

14

CENTRALI TERMICHE PER IL RISCALDAMENTO CIVILE - Norme e regole per l’installazione a regola d’arte

Ciò è dovuto alla capacità di assorbimento dell’ossigeno dei nostri polmoni. Il monossido di carbonio può quindi legarsi ai globuli rossi del sangue umano saturandoli, impedendo loro di assorbire ossigeno.

Aria di combustione

Per calcolare la quantità di ossigeno richiesta e quindi l’aria necessaria per la completa combustione di una quantità specifica di gas naturale come il Metano, è necessario seguire il procedimento seguente.

Costituente Formula % nel gas naturaleMetano CH4 90.0

Etano C2H6 5.3

Propilene C3H6 -

Propano C3H8 1.0

Butano C4H10 0.4

Azoto N2 2.7

Anidride Carbonica CO2 0.6

100%

Moltiplicare le qui presenti percentuali volumetriche che costituiscono gas naturale o Propano per le rispettive quantità di ossigeno necessarie ai fini della combustione, dati dalla tabella sottostante.

Combustibile Volume di ossigenoMetano 2

Etano 3.5

Propilene 4.5

Propano 5

Butano 6.5

Così da ottenere i seguenti valori.

Costituente % Volume di ossigeno richiestoMetano 90 X2= 180.0

Etano 5.3 X3.5= 18.55

Propano 1 X5= 5.0

Butano 0.4 X6.5= 2.6

CO2 0.6 X0= 0.0

Azoto 2.7 X0= 0.0

Totale 100 206.15

Quindi, la combustione stechiometrica di 1m3 di gas naturale (metano) richiede 2,062 m3 di ossigeno, considerato come puro, essendo la percentuale di ossigeno presente nell’aria circa il 21%, serve un volume di 9,81 m3 di aria per ogni m3 di gas (2,062 x 100 /21= 9,81).

1

LE P

RIN

CIPA

LI C

ARA

TTER

ISTI

CHE

DEI

GA

S CO

MBU

STIB

ILI

15

LE PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEI GAS COMBUSTIBILI

N2 N2 N2 N2 N2

N2 N2 N2 O2 O2 CH4

Quantità di aria richiesta per la combustione stechiometrica del metano

La quantità di aria richiesta per la combustione varia con la composizione chimica dei gas utilizzati ed è maggiore per il GPL.

Ossidi di azoto

Nonostante i principali prodotti di combustione siano CO2 e vapore acqueo, quando viene consumato un metro cubo di gas naturale, vengono generate altre sostanze chimiche.Tra queste, la più rilevante è la quantità di azoto molecolare e composti di esso che vanno a diffondersi in atmosfera.

Acquista i nostri Manuali !

E - IMPIANTI A GAS Parte Prima

Impianti ad usodomestico e similare

®

a cura della redazione diTeknologieimpianti.it

E - Dichiarazionedi Rispondenzae veri�ca di idoneitàdegli impianti a gasin esercizio secondola UNI-10738

a cura della redazione diTeknologieimpianti.it

®

SISTEMI FUMARICome realizzarlie veri�carli secondola normativa vigente

a cura della redazione diTeknologieimpianti.it

®

C - D - E Dichiarazione di Conformitànel settore idrotermogas

Manuale operativo per la compilazione delle Dichiarazioni di Conformitàin campo Gas, Termico e Idrico corredato da software di gestione ed esempi pratici

a cura della redazione diTeknologieimpianti.it CD

cont

enen

te so

ftware MarioDOC completo

CD co

nten

ente

softw

are MarioDOC completo

a cura della redazione diTeknologieimpianti.it

Guid

a ope

rativ

a alla

com

pila

zione

del

libr

etto

di c

limat

izzaz

ione

e de

i rap

port

i di c

ontro

llo d

i e�

cienz

a ene

rget

ica co

me d

a DPR

74/2

013

Guid

a ope

rativ

a alla

com

pila

zione

del

libr

etto

di c

limat

izzaz

ione

e de

i rap

port

i di c

ontro

llo d

i e�

cienz

a ene

rget

ica co

me d

a DPR

74/2

013

®

Guida operativa alla compilazione del libretto di climatizzazione e dei rapporti di controllo di e�cienza energetica come da DPR 74/2013

C - D - E DICHIARAZIONE DI CONFORMITÀ NEL SETTORE IDROTERMOGASManuale operativo per la compilazione delle Dichiarazioni di Conformità in campo Gas redatto interamente dalla nostra Redazione e approvato dal CIG.Il Manuale è dedicato al D.M. 37/08 che si applica agli impianti, idrici, di riscaldamento, di climatizzazione, di refrigerazione, antincendio e di adduzione gas presenti in qualsiasi tipo di edi�cio, compresi gli impianti realizzati all’aperto se posti nelle pertinenze dell’edi�cio.In OMAGGIO con questa pubblicazione riceverai l’opportunità di valutare gratuitamente per 30 giorni un software web dedicato alla compilazione di tutta la modulistica derivante del DM37/08.

E - IMPIANTI A GAS - PARTE PRIMAIMPIANTI AD USO DOMESTICO E SIMILARE Questo libro nasce con l’intenzione di supportare gli installatori e i manutentori di impianti e apparecchi a gas nello svolgimento delle loro abituali attività, fornendo loro le informazioni necessarie in un modo che speriamo semplice e lineare, inoltre il libro ha uno scopo didattico essendo pensato anche per sostenere il percorso degli operatori che hanno deciso di certi�carsi secondo la UNI 11554:2014.

DPR 74/2013 - COMPILAZIONE DEL LIBRETTO DI CLIMATIZZAZIONE E DEI RAPPORTI DI CONTROLLO DI EFFICIENZA ENERGETICAManuale operativo per la compilazione del libretto di climatizzazione e dei rapporti di controllo di e�cienza energetica corredato da esempi pratici interamente redatto dalla nostra Redazione.Una guida applicativa pratica e funzionale per conoscere e saper applicare le indicazioni e le innovazioni normative determinate con l’entrata in vigore del DPR 74/2013.

SISTEMI FUMARICOME REALIZZARLI E VERIFICARLI SECONDO LA NORMATIVA VIGENTEQuest’opera, partendo dall’illustrazione dei principi generali di funzionamento dei camini, esamina le principali disposizioni legislative e normative presenti in materia cercando di o�rire una visione d’insieme sintetica ma esaustiva dell’argomento.

E - DICHIARAZIONE DI RISPONDENZA E VERIFICA DI IDONEITÀ DEGLI IMPIANTI A GAS IN ESERCIZIO SECONDO LA UNI-10738Manuale operativo per la compilazione della Dichiarazione di Rispondenza e veri�ca di idoneità degli impianti a gas in esercizio secondo la UNI-10738 Il libro è dedicato alla Dichiarazione di Rispondenza degli impianti a gas ad uso domestico e similare e alle prove che occorre eseguire per stabilire se un impianto possiede i requisiti per essere utilizzato in sicurezza.

Chiedi la tua o�erta!

www.teknologieimpianti.itSHOPSHOP

PER ACQUISTARE I MANUALIscrivici a info@teknologica.itoppure chiamaci al n. 0543 726038

TEKNOLOGICA SRLVia Cervese, 181/A - 47122 Forlì (FC)

Tel. 0543 726038 info@teknologica.it