Combustione carburanti e lubrificanti

Richiami di termochimica

La combustione

I combustibili

Carburanti e inquinamento

Lubrificanti

Richiami di termochimica

Reazioni endotermiche ed esotermiche ed entalpia di reazione

Fattori influenti sullrsquoentalpia di reazione

Reazioni esotermiche

Reazioni esotermiche avvengono con sviluppo di calore

Sono esotermiche tutte le reazioni di combustione

Reazioni endotermiche

Reazioni endotermiche avvengono con assorbimento di calore Sono endotermiche tutte le reazioni di decomposizione termica ad esempio la decomposizione termica ad alta temperatura dellrsquoacqua in idrogeno e ossigeno

Entalpia di reazione (12)

Entalpia di reazione indica qual egrave la quantitagrave di calore svolta o assorbita nel corso di una reazione chimica Viene indicata con il simbolo ∆H

Entalpia di reazione (22)

Le reazioni esotermiche hanno un valore di ∆H negativo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto impoverire la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore sviluppato

Le reazioni endotermiche hanno un valore di ∆H positivo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto aumentare la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore assorbito

Esempio

Ad esempio la scritta

C(s) + O2 rarr CO2(g) ∆H = ndash 3933 kJ

indica che nella combustione di 1 mole di Covvero di 12 g di C si sono sviluppati 3933 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

CO(g) +frac12 O2 rarr CO2 ∆H = ndash 2828 kJ

indica che nella combustione di una mole di CO gassoso ovvero di 224 litri di CO misurati in condizioni normali (temperatura di 0degC e pressione di 760 mm di Hg) si sono sviluppati 2828 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

H2O(vap) rarr H2 + frac12 O2 ∆H = 2418 kJ

indica che nella decomposizione termica di una mole di acqua allo stato di vapore ovvero di 18 g di vapor drsquoacqua vengono assorbiti 2418 kJ

Fattori influenti sulla entalpia di reazione

Lrsquoentalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri

Temperatura

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Richiami di termochimica

Reazioni endotermiche ed esotermiche ed entalpia di reazione

Fattori influenti sullrsquoentalpia di reazione

Reazioni esotermiche

Reazioni esotermiche avvengono con sviluppo di calore

Sono esotermiche tutte le reazioni di combustione

Reazioni endotermiche

Reazioni endotermiche avvengono con assorbimento di calore Sono endotermiche tutte le reazioni di decomposizione termica ad esempio la decomposizione termica ad alta temperatura dellrsquoacqua in idrogeno e ossigeno

Entalpia di reazione (12)

Entalpia di reazione indica qual egrave la quantitagrave di calore svolta o assorbita nel corso di una reazione chimica Viene indicata con il simbolo ∆H

Entalpia di reazione (22)

Le reazioni esotermiche hanno un valore di ∆H negativo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto impoverire la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore sviluppato

Le reazioni endotermiche hanno un valore di ∆H positivo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto aumentare la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore assorbito

Esempio

Ad esempio la scritta

C(s) + O2 rarr CO2(g) ∆H = ndash 3933 kJ

indica che nella combustione di 1 mole di Covvero di 12 g di C si sono sviluppati 3933 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

CO(g) +frac12 O2 rarr CO2 ∆H = ndash 2828 kJ

indica che nella combustione di una mole di CO gassoso ovvero di 224 litri di CO misurati in condizioni normali (temperatura di 0degC e pressione di 760 mm di Hg) si sono sviluppati 2828 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

H2O(vap) rarr H2 + frac12 O2 ∆H = 2418 kJ

indica che nella decomposizione termica di una mole di acqua allo stato di vapore ovvero di 18 g di vapor drsquoacqua vengono assorbiti 2418 kJ

Fattori influenti sulla entalpia di reazione

Lrsquoentalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri

Temperatura

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Reazioni esotermiche

Reazioni esotermiche avvengono con sviluppo di calore

Sono esotermiche tutte le reazioni di combustione

Reazioni endotermiche

Reazioni endotermiche avvengono con assorbimento di calore Sono endotermiche tutte le reazioni di decomposizione termica ad esempio la decomposizione termica ad alta temperatura dellrsquoacqua in idrogeno e ossigeno

Entalpia di reazione (12)

Entalpia di reazione indica qual egrave la quantitagrave di calore svolta o assorbita nel corso di una reazione chimica Viene indicata con il simbolo ∆H

Entalpia di reazione (22)

Le reazioni esotermiche hanno un valore di ∆H negativo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto impoverire la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore sviluppato

Le reazioni endotermiche hanno un valore di ∆H positivo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto aumentare la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore assorbito

Esempio

Ad esempio la scritta

C(s) + O2 rarr CO2(g) ∆H = ndash 3933 kJ

indica che nella combustione di 1 mole di Covvero di 12 g di C si sono sviluppati 3933 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

CO(g) +frac12 O2 rarr CO2 ∆H = ndash 2828 kJ

indica che nella combustione di una mole di CO gassoso ovvero di 224 litri di CO misurati in condizioni normali (temperatura di 0degC e pressione di 760 mm di Hg) si sono sviluppati 2828 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

H2O(vap) rarr H2 + frac12 O2 ∆H = 2418 kJ

indica che nella decomposizione termica di una mole di acqua allo stato di vapore ovvero di 18 g di vapor drsquoacqua vengono assorbiti 2418 kJ

Fattori influenti sulla entalpia di reazione

Lrsquoentalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri

Temperatura

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Reazioni endotermiche

Reazioni endotermiche avvengono con assorbimento di calore Sono endotermiche tutte le reazioni di decomposizione termica ad esempio la decomposizione termica ad alta temperatura dellrsquoacqua in idrogeno e ossigeno

Entalpia di reazione (12)

Entalpia di reazione indica qual egrave la quantitagrave di calore svolta o assorbita nel corso di una reazione chimica Viene indicata con il simbolo ∆H

Entalpia di reazione (22)

Le reazioni esotermiche hanno un valore di ∆H negativo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto impoverire la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore sviluppato

Le reazioni endotermiche hanno un valore di ∆H positivo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto aumentare la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore assorbito

Esempio

Ad esempio la scritta

C(s) + O2 rarr CO2(g) ∆H = ndash 3933 kJ

indica che nella combustione di 1 mole di Covvero di 12 g di C si sono sviluppati 3933 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

CO(g) +frac12 O2 rarr CO2 ∆H = ndash 2828 kJ

indica che nella combustione di una mole di CO gassoso ovvero di 224 litri di CO misurati in condizioni normali (temperatura di 0degC e pressione di 760 mm di Hg) si sono sviluppati 2828 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

H2O(vap) rarr H2 + frac12 O2 ∆H = 2418 kJ

indica che nella decomposizione termica di una mole di acqua allo stato di vapore ovvero di 18 g di vapor drsquoacqua vengono assorbiti 2418 kJ

Fattori influenti sulla entalpia di reazione

Lrsquoentalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri

Temperatura

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Entalpia di reazione (12)

Entalpia di reazione indica qual egrave la quantitagrave di calore svolta o assorbita nel corso di una reazione chimica Viene indicata con il simbolo ∆H

Entalpia di reazione (22)

Le reazioni esotermiche hanno un valore di ∆H negativo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto impoverire la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore sviluppato

Le reazioni endotermiche hanno un valore di ∆H positivo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto aumentare la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore assorbito

Esempio

Ad esempio la scritta

C(s) + O2 rarr CO2(g) ∆H = ndash 3933 kJ

indica che nella combustione di 1 mole di Covvero di 12 g di C si sono sviluppati 3933 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

CO(g) +frac12 O2 rarr CO2 ∆H = ndash 2828 kJ

indica che nella combustione di una mole di CO gassoso ovvero di 224 litri di CO misurati in condizioni normali (temperatura di 0degC e pressione di 760 mm di Hg) si sono sviluppati 2828 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

H2O(vap) rarr H2 + frac12 O2 ∆H = 2418 kJ

indica che nella decomposizione termica di una mole di acqua allo stato di vapore ovvero di 18 g di vapor drsquoacqua vengono assorbiti 2418 kJ

Fattori influenti sulla entalpia di reazione

Lrsquoentalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri

Temperatura

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Entalpia di reazione (22)

Le reazioni esotermiche hanno un valore di ∆H negativo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto impoverire la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore sviluppato

Le reazioni endotermiche hanno un valore di ∆H positivo a significare che il sistema a seguito della reazione ha visto aumentare la propria energia interna di una quantitagrave pari al calore assorbito

Esempio

Ad esempio la scritta

C(s) + O2 rarr CO2(g) ∆H = ndash 3933 kJ

indica che nella combustione di 1 mole di Covvero di 12 g di C si sono sviluppati 3933 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

CO(g) +frac12 O2 rarr CO2 ∆H = ndash 2828 kJ

indica che nella combustione di una mole di CO gassoso ovvero di 224 litri di CO misurati in condizioni normali (temperatura di 0degC e pressione di 760 mm di Hg) si sono sviluppati 2828 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

H2O(vap) rarr H2 + frac12 O2 ∆H = 2418 kJ

indica che nella decomposizione termica di una mole di acqua allo stato di vapore ovvero di 18 g di vapor drsquoacqua vengono assorbiti 2418 kJ

Fattori influenti sulla entalpia di reazione

Lrsquoentalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri

Temperatura

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio

Ad esempio la scritta

C(s) + O2 rarr CO2(g) ∆H = ndash 3933 kJ

indica che nella combustione di 1 mole di Covvero di 12 g di C si sono sviluppati 3933 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

CO(g) +frac12 O2 rarr CO2 ∆H = ndash 2828 kJ

indica che nella combustione di una mole di CO gassoso ovvero di 224 litri di CO misurati in condizioni normali (temperatura di 0degC e pressione di 760 mm di Hg) si sono sviluppati 2828 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

H2O(vap) rarr H2 + frac12 O2 ∆H = 2418 kJ

indica che nella decomposizione termica di una mole di acqua allo stato di vapore ovvero di 18 g di vapor drsquoacqua vengono assorbiti 2418 kJ

Fattori influenti sulla entalpia di reazione

Lrsquoentalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri

Temperatura

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempi

Ad esempio la scritta

CO(g) +frac12 O2 rarr CO2 ∆H = ndash 2828 kJ

indica che nella combustione di una mole di CO gassoso ovvero di 224 litri di CO misurati in condizioni normali (temperatura di 0degC e pressione di 760 mm di Hg) si sono sviluppati 2828 kJ

Esempi

Ad esempio la scritta

H2O(vap) rarr H2 + frac12 O2 ∆H = 2418 kJ

indica che nella decomposizione termica di una mole di acqua allo stato di vapore ovvero di 18 g di vapor drsquoacqua vengono assorbiti 2418 kJ

Fattori influenti sulla entalpia di reazione

Lrsquoentalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri

Temperatura

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempi

Ad esempio la scritta

H2O(vap) rarr H2 + frac12 O2 ∆H = 2418 kJ

indica che nella decomposizione termica di una mole di acqua allo stato di vapore ovvero di 18 g di vapor drsquoacqua vengono assorbiti 2418 kJ

Fattori influenti sulla entalpia di reazione

Lrsquoentalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri

Temperatura

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Fattori influenti sulla entalpia di reazione

Lrsquoentalpia delle reazioni chimiche varia in funzione dei seguenti parametri

Temperatura

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Temperatura

La temperatura lrsquoinfluenza egrave modesta e non se ne terragrave conto in seguito Usualmente si considerano le entalpie a 25degC che vengono denominate entalpie standard

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Condizioni nelle quali decorre la reazione

Le condizioni nelle quali decorre la reazione a pressione o a volume costante (questo fattore egrave influente solo per le reazioni che avvengono con variazione nel numero delle molecole gassose) Anche in questo caso la differenza non egrave rilevante e non se ne terragrave conto

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Stato fisico dei componenti

Lo stato fisico delle sostanze che compaiono nella reazione Ciograve vale in particolare quando una delle sostanze egrave lrsquoacqua che puograve trovarsi allo stato liquido o allo stato di vapore

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Entalpia di reazione

Per ogni mole di acqua ovvero per ogni 18 g di acqua occorre fornire 44 kJ per trasformarla dallo stato liquido allo stato di vapore e inversamente si ricavano 44 kJ quando una mole di vapore drsquoacqua viene condensata allo stato liquido

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

La combustione

Concetti di base

Potere calorifico

Aria teorica di combustione

Fumi volume e composizione

Temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Temperatura di accensione

Limiti di infiammabilitagrave

Potenziale termico

Altri parametri caratterizzanti

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Definizioni

La combustione concerne reazioni fortemente esotermiche tra una sostanza combustibile e una sostanza comburente di solito lrsquoossigeno dellrsquoaria

Una combustione viene definita completa quando tutto il C combustibile viene trasformato in CO2 tutto lrsquoH in H2O tutto lrsquoN in N2 e tutto lo S in SO2

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

MECCANISMO DELLA COMBUSTIONEbull miscelazionebull pre-combustionebull combustionebull reazioni post-fiamma

1) miscelazione contatto uniformemente distribuito tra particelle o molecole del combustibile ed aria di combustione

2) pre-combustione formazione tra 400-600degC di specie instabili (radicali liberi o atomi) estremamente reattive che attivano sensibilmente la velocitagrave delle successive reazioni di ossidazione

Meccanismo della combustione

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

3) combustione combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO H2hellip) completa (CO2 H2O hellip) e ad altri radicali liberi

4) reazioni post-fiamma trasmissione di parte del calore di combustione allesterno da parte dei prodotti (fumi) con darrT Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Meccanismo della combustione ndash (2)

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili presenti nel combustibile (C H S N) vengono ossidati rispettivamente a CO2 H2O SO2 e N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione completa)C rarr CO2

H rarr H2OS rarr SO2

N rarr N2

COMPONENTI DEI FUMI (combustione anomala)C rarr CO2 + CO + composti organici volatili (es PM10 etc)H rarr H2O + H2

S rarr SO2 + SO3

N rarr N2 + NO + NO2

Combustione completa e anomala

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Combustibili

Un combustibile di interesse pratico deve

Essere facile da estrarre e da elaborare

Bruciare velocemente

Non dare origine a sostanze velenose

Essere di costo relativamente contenuto

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Combustibili parametri caratterizzanti(12)

I parametri che maggiormente interessano per la valutazione e lrsquoimpiego dei combustibili sono

Il potere calorifico

Lrsquoaria teorica ed effettiva necessaria per lo sviluppo delle reazioni

Il volume e la composizione dei fumi

La temperatura teorica e non di combustione

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Combustibili parametri caratterizzanti (22)

La temperatura di accensione

I limiti di infiammabilitagrave

Il potenziale termico

Altri parametri che verranno solo elencati

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

23

Esempi

grafite e diamante - calore sviluppato uguale a calore

prodotto da un uguale peso di carbone

MA - alto costo- uarr difficoltagrave di combustione

rArr NO combustibili industriali

Zolfo- facilitagrave combustione- sviluppo di elevata quantitagrave di QMA - sviluppo di anidride solforosa e

solforica prodotti velenosi

rArr NO combustibile industriale

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Potere calorifico

Ersquo la quantitagrave di calore sviluppata nel corso della combustione completa di 1 kg di combustibile liquido o solido o di 1 normal metro cubo di un combustibile gassoso Esso viene quindi espresso in kJkg per i combustibili liquidi e solidi e in kJNm3 per quelli gassosi

I poteri calorifici possono essere calcolati se sono note la composizione del combustibile e le entalpie delle reazioni di combustione

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempi (12)

Il carbonio solido ha peso atomico 12 e lrsquoentalpia della reazione

C + O2 rarr CO2 vale ndash 3933 kJ

Il potere calorifico si ricava dalla proporzione

12 3933 = 1000 x x = 32775 kJkg

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempi (22)

Una mole del CO gassoso occupa a condizioni normali 224 litri lrsquoentalpia della reazione

CO(g) + frac12O2 rarr CO2 vale ndash 2828 kJ

Il potere calorifico del CO si ricava dalla proporzione

224 2828 = 1000 x x = 12627 kJNm3

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Potere calorifico superiore e inferiore

Se nella reazione di combustione egrave presente acqua occorre distinguere tra

Potere calorifico inferiore Qi quando lrsquoacqua egrave allo stato di vapore

Potere calorifico superiore Qs quando lrsquoacqua egrave allo stato liquido

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Ad esempio nella combustione dellrsquoidrogeno si haH2 + frac12 O2 rarr H2O (liquido) ∆H = ndash 28683 kJ

224 28683 = 1000 x

x = 12805 kJNm3 = Qs

H2 + frac12 O2 rarr H2O (vapore) ∆H = ndash 2418 kJ

224 2418 = 1000 x

x = 10795 kJNm3 = Qi

Potere calorifico superiore e inferiore

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

La differenza fra le entalpie delle 2 precedenti rezioni egrave di 444 kJ e

corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua cioegrave 18 g dallostato liquido allo stato di vapore Per fare

vaporizzare un Kg di acqua

44418=x1000 x=2467 kJ

Che puograve essere arrotondato a 2500 kJ

Potere calorifico superiore e inferiore

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Potere calorifico superiore e inferiore

Tra i due poteri calorifici esiste la relazione

Qs = Qi + n 2500

dove n egrave la quantitagrave espressa in Kg di acqua presente nei prodotti della combustione di un normal metro cubo di combustibile gassoso o di un Kg di un combustibile liquido o solido2500 egrave il numero (arrotondato per eccesso) di kJ necessari per far vaporizzare 1 Kg di acqua ovvero di quelli ottenuti nella condensazione di 1 Kg di vapor drsquoacqua

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Il potere calorifico puograve essere determinatomediante

Bomba di Mahler

Calorimetro di Junkers

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

32

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili solidi e liquidi bomba di Mahler

p

APTQs

1)( times+∆=

Kg acqua nel calorimetro

Equiv in acqua del calorimetro

Calore specifico dellrsquoacqua

Quantitagrave di combustibile bruciato in kg

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

33

Determinazione sperimentale del Qs

Combustibili gassosi calorimetro di Junkers

n

sV

TTGQ

1)( 12 timesminustimes=

n

iV

ATTGQ

6001)( 12 timesminustimesminustimes=

Kg acqua di raffreddamento

Kg acqua di condensa

m3 di combustibile in cn

temperatura acqua in entrata e in uscita

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

34

Il potere calorifico di alcuni combustibili

41900Oli combustibili

16700Gas di cittagrave

42700Gasolio

41900-46000Benzina

32600-37600Litantrace

18800-21000Lignite

14600Torba

10400-1260017600Legno

Qi [kJkg]Qs [kJkg]

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Aria teorica di combustione

Lrsquoaria teorica di combustione egrave il volume di aria necessario per consentire la combustione completa del combustibile

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Composizione dellrsquoaria

Composizione dellrsquoaria lrsquoaria egrave un miscuglio gassoso costituito per il 78 in volume da azoto per il 21 da ossigeno e per 1 da gas rari che si possono inglobare nellrsquoazoto

Il rapporto 7921 vale circa 38 1 Nm3 di O2 egrave cioegrave accompagnato da 38 Nm3 di N2 e fa parte di 1 + 38 = 48 Nm3 di aria

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio (12)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

consuma 2 Nm3 di O2 e quindi 2 48 = 96Nm3 di aria

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio (22)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O

consuma il quantitativo drsquoaria che si ricava dalla proporzione

46 3 middot 224 middot 48 = 1000 x

x = 7012 litri = 7012 Nm3

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Fumi anidri

I fumi sono i prodotti gassosi di una combustione con esclusione delle eventuali particelle solide sospese

I fumi ottenuti condensando lrsquoacqua vengono chiamati fumi anidri

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Volume dei fumi

Il volume dei fumi viene calcolato dalle reazioni di combustione tenendo presente che lrsquoazoto che accompagna lrsquoossigeno passa tutto nei fumi

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio (13)

Ad esempio 1 Nm3 del gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2H2O

Produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

i 2 Nm3 di O2 sono accompagnati da 2 middot 38 = 76 Nm3 di N2

In totale si sono formati 106 (1 + 2 + 76)Nm3

di fumi

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio (23)

Ad esempio 1 kg di alcol etilico liquido CH3CH2OH (peso molecolare = 46) che brucia secondo la reazione

CH3CH2OH + 3 O2 rarr 2 CO2 + 3 H2O Produce i seguenti gas

CO2) 46 2 middot 224 = 1000 x x = 9738 litri = 09738 Nm3

H2O) 46 3 middot 224 = 1000 x x = 14609 litri = 14609 Nm3

N2) 46 3 middot 224 middot 38 = 1000 x x = 55513 litri = 5 5513 Nm3

In totale si sono formati 79861 (09738 + 14609 + 55513) Nm3

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Composizione percentuale

La composizione percentuale in volume dei fumi si ottiene rapportando il volume di ciascun costituente al volume totale dei fumi

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio (12)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1 normal metro cubo di gas metano CH4 si ricava nel seguente modo

CO2= 1106 middot 100 = 943

H2O = 2106 middot 100 = 1887

N2 = 76 106 middot 100 = 7170

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio (22)

Ad esempio la composizione dei fumi ottenuti bruciando con lrsquoaria teorica 1Kg alcol etilico CH3CH2OH si ricava nel seguente modo

CO2) 0973879861 middot 100 = 1219

H2O) 1460979861 middot 100 = 1829

N2 ) 5551379861 middot 100 = 6952

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Temperatura teorica di combustione

Ersquo la temperatura massima che si raggiunge nel corso di una combustione completa con lrsquoaria teorica se tutto il calore sviluppato serve per riscaldare i fumi

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Calore sensibile

Si definisce calore sensibile di un gas a una data temperatura la quantitagrave di calore in kJ necessaria per portare 1 Nm3 di tale gas alla temperatura scelta I calori sensibili dei piugrave comuni gas e dei componenti presenti nei fumi a differenti temperature sono disponibili in apposite tabelle (in kJNm3)

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

I calori sensibili dei gas

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Calcolo della temperatura teorica di combustione

Per calcolare la temperatura teorica di combustione occorre confrontare il potere calorifico inferiore del combustibile con la somma dei prodotti tra i calori sensibili a diverse temperature e i volumi di ciascun componente presente nei fumi a seguito della combustione di 1 Nm3 (gas) o di 1 kg (liquido o solido) di combustibile e verificando per via grafica o con il calcolo qual egrave la temperatura raggiungibile con i kJ corrispondenti a Qi

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio(14)

Ad esempio nel caso di un gas costituito per il 40 in volume da CO e per il 60 da N2 che ha un potere calorifico di 5050 kJNm3 il volume dei fumi ottenuti bruciandone 1 Nm3 secondo lareazione

CO + frac12 O2 rarr CO2

egrave dato da 04 Nm3 di CO2 e da 02 middot 38 + 06 (dal combustibile) = 136 Nm3 di N2

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio(24)

Dalla tabella dei calori sensibili si haPer riscaldare a 1700degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4047 o 2484 kJ

Per riscaldare a 1800degC 1 Nm3 di CO2 o di N2occorrono 4316 o 2647 kJ

Per riscaldare i fumi a 1700degC 04 middot 4047 + 136 middot 2484 = 4997 kJ

Per riscaldare i fumi a 1800degC 04 middot 4316 + 136 middot 2647 = 5326 kJ

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio(34)

La soluzione puograve essere trovata per via grafica nellrsquoipotesi che nel ristretto intervallo termico fra 1700 e 1800 degC vi sia una relazione lineare tra la temperatura (in ascissa) e il numero di kJ (in ordinata) Come mostra la figura la temperatura teorica di combustione individuata egrave di circa 1716degC

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio(44)

Oppure tenendo conto che a un salto termico di 100deg (1800 ndash 1700) corrisponde una differenza di 5326 ndash 4997 = 329 kJ e che la differenza tra 5050 e 4997 vale 53 kJ i gradi da aggiungere a 1700degC si ricavano dalla proporzione

329 100 = 53 x x = 161

ovvero la temperatura cercata egrave

1700 + 161 = 17161degC

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Combustione con eccesso drsquoaria

La temperatura di combustione egrave piugrave bassa se la combustione avviene con un eccesso drsquoaria in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma la quantitagrave di gas da riscaldare egrave maggiore poichegravecomprende anche lrsquoaria in eccesso

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Combustione con ossigeno

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se la combustione avviene con ossigeno (e non con aria) in quanto il calore disponibile egrave lo stesso ma il volume dei fumi egrave minore non comprendendo lrsquoazoto presente nellrsquoaria

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Combustione con preriscaldamento

La temperatura di combustione egrave piugrave alta se il combustibile eo il comburente vengono preriscaldati in quanto a paritagrave di volume dei fumi sono ora disponibili in aggiunta i kJapportati con il preriscaldamento

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Rendimento termico della combustione

Nella pratica non egrave possibile utilizzare tutto il calore disponibile per il riscaldamento dei fumi la temperatura raggiunta saragrave pertanto inferiore a quella teorica Si definisce rendimento termico della combustione il rapporto tra la temperatura effettivamente raggiunta e la temperatura teorica di combustione

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Perdita al camino

Ersquo la frazione di calore che va perduta quando i fumi vengono dispersi nellrsquoatmosfera a una temperatura superiore a quelle ambiente

Viene calcolata confrontando con il potere calorifico inferiore del combustibile la sommatoria dei volumi di ciascun componente presente nei fumi moltiplicato per il suo calore sensibile alla temperatura di uscita

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Temperatura di accensione

Ersquo la temperatura minima cui deve essere portata almeno in un suo punto la miscela combustibile - comburente affincheacute la reazione di combustione possa innescarsi

Essa vale ad esempio 572degC per H2 632degC per CH4 e 300-400degC per la benzina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Limiti di infiammabilitagrave

Una combustione si innesca e si sviluppa solo se il combustibile non egrave neacute troppo poco neacutetroppo abbondante I limiti di infiammabilitagraveindicano le percentuali minima e massima del combustibile nella miscela con lrsquoaria che delimitano le condizioni di infiammabilitagrave

Ad esempio lrsquoidrogeno si puograve infiammare quando egrave presente dal 4 al 75 il metano CH4 dal 5 al 15

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Potenziale termico (12)

Ersquo un parametro che interessa i carburanti e rappresenta la quantitagrave di calore sviluppata nella combustione di 1 Nm3 di miscela tra combustibile gassoso o vaporizzato e aria teorica di combustione La potenza sviluppabile da un motore aumenta al crescere del potenziale termico

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Potenziale termico (22)

Il potenziale termico (Pt) di un carburante gassoso viene calcolato ricorrendo alla relazione

Pt = Qi Vat + 1

dove Vat egrave il volume dellrsquoaria teorica

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio (13)

Ad esempio per il gas metano CH4 che brucia secondo la reazione

CH4 + 2O2 rarr CO2 + 2 H2O

e ha un Qi pari a 35750 kJNm3

il Vat vale 2 middot 48 = 96 Nm3

e Pt = 35750 96 + 1 = 3373 kJNm3

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio (23)

Ad esempio per lrsquoottano liquido C8H18 (peso molecolare = 114) che brucia secondo la reazione

C8H18 + 252 O2 rarr 8 CO2 + 9 H2O

e ha un Qi pari a 44965 kJkg il Pt si ricava dalla

Pt = Qi + Qv Vat + Vc

dove Qv egrave il calore di vaporizzazione che vale 420 kJkg e Vc egrave il volume di 1 kg di combustibile vaporizzato

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Esempio (33)

Vat) 114 252 middot 48 middot 224 = 1000 x

x = 11790 litri = 1179 Nm3

Vc) 114 224 = 1000 x

x = 196 litri = 0196 Nm3

Pt = 44965 + 420 1179 + 0196

= 45385 11986 = 3787 kJNm3

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Ulteriori parametri di combustione (14)

Per i combustibili solidi egrave spesso utile conoscereLa percentuale di sostanze volatili estraibili con una distillazione a secco

La percentuale di ceneri incombustibili

La porositagrave

La resistenza a compressione

La percentuale di umiditagrave e molto importante la percentuale di zolfo

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Ulteriori parametri di combustione (24)

Per i combustibili liquidi egrave spesso utile conoscereIl comportamento reologico a basse temperature

Il punto o la temperatura di intorbidamento

Il punto o la temperatura di congelamento

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Ulteriori parametri di combustione (34)

Per i combustibili liquidi carburanti egrave anche importante conoscere

La volatilitagrave in quanto i carburanti vengono prima vaporizzati

La curva di distillazione (percentuale di distillato in funzione della T)

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina

Ulteriori parametri di combustione (44)

La tensione di vapore

Le percentuali di zolfo acqua benzene idrocarburi aromatici

Il numero di ottano

Il numero di cetano

Il punto di anilina