MATERIALI Unità 3 – Combustione, carburanti, lubrificanti

UNITA’ 3 – COMBUSTIONE, CARBURANTI, LUBRIFICANTI Esercizio 3.1 Calcolare il potere calorifico superiore e inferiore del gas metano che brucia secondo la reazione CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O sapendo che l’entalpia della reazione con formazione di H2O allo stato liquido è ∆H = - 890,8 KJ Per calcolare Qs: 22,4 (l CH4):890,8(KJ)= 1000 (l CH4) :x (KJ) x=39768 KJ/Nm3 prodotti da 1 Nm3 di CH4 = Qs Per calcolare Qi , con riferimento alla Qi = Qs - n · 2500 occorre calcolare n, ovvero i kg di acqua formatisi nella combustione di 1 Nm3 di CH4 (1000 litri di CH4). Dalla reazione si ricava: 22,4 (l CH4) : 2·18 (g H2O) = 1000 (l CH4): x x = 1607 g = 1,607 kg. Qi = 39768 – 1,607·2500 = 35751 kg/Nm3. Esercizio 3.2 Calcolare il potere calorifico inferiore e superiore del gas etano, C2H6 , che brucia secondo la reazione: 2 C2H6 + 7 O2 4 CO2 + 6 H2O sapendo che l’entalpia della reazione con formazione di H2O allo stato di vapore è ∆H = - 2809,4 KJ. Risposta: Qi = 62709 KJ/Nm3 e Qs = 68737 KJ/ Nm3

Esercizio 3.3 Calcolare il potere calorifico inferiore e superiore dell’alcol etilico liquido (peso molecolare 46) che brucia secondo la reazione: CH3 CH2 OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O sapendo che l’entalpia della reazione con formazione di H2O allo stato di vapore è ∆H = - 1234,7 KJ.

1

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Per calcolare Qi : 46 (g alcol) : 1234,7 (KJ) = 1000 (g alcol) : x (KJ) x = 26841 KJ/Kg = Qi Per calcolare n della relazione Qs = Qi + n · 2500 , dove n è il numero di Kg di acqua formatasi nella combustione di 1 Kg di alcol liquido: 46 (g alcol):3·18 (g H2O) = 1000 (g alcol) : x x = 1174 g H2O = 1,174 Kg di H2O Qs = 26841 + 1,174· 2500 = 29776 KJ/Kg Esercizio 3.4 Calcolare il potere calorifico superiore e inferiore dell’ottano liquido ( C8 H18, peso molecolare 114) che brucia secondo la reazione: C8 H18+ 25/2 O2 8 CO2 + 9 H2O sapendo che l’entalpia della reazione con formazione di H2O allo stato liquido è ∆H = - 5.531 KJ Risposta: Qs = 48518 KJ/Kg; Qi = 44965 KJ/Kg Esercizio 3.5 Un combustibile solido ha la seguente composizione elementare: C=88% in peso; H=5%; O=4%; S=1%; ceneri 2% e un potere calorifico superiore di 34936 KJ/Kg. Calcolarne il potere calorifico inferiore.

Risposta:

Occorre determinare i Kg di H2O formatisi nella combustione di un Kg di combustibile nel quale sono contenuti 50 g di H (=5% in peso).

La reazione di combustione dell’H è

2H + 1/2O2 H2O

ovvero 2 g di idrogeno bruciando producono 18 g di H2O

2 (g H): 18 (g H2O) = 50 (g H): x (g H2O)

x = 450 g H2O = 0,45 Kg H2O

Qi = Qs – n·2500 = 34936 – 0,45·2500 = 33.811 KJ/Kg

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Esercizio 3.6

L’alcol etilico liquido C2H5OH (peso molecolare 46) ha un potere calorifico inferiore di 26.840 KJ/Kg. Calcolarne il potere calorifico superiore sapendo che la reazione di combustione è la seguente:

C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O

Risposta:

Qs = 29775 KJ/Kg

Esercizio 3.7

Un gas ha la seguente composizione (% in volume):

CH4 = 80 %

C2H6 = 4 %

N2 = 16 %

e un potere calorifico inferiore di 31087 KJ/Nm3. Calcolare il potere calorifico superiore.

Risposta:

Le reazioni di combustione di CH4 e C2H6 (N2 non brucia) sono: CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3 H2O

in 1 Nm3 di gas ci sono 0,8 Nm3 di CH4 che formano H2O

22,4 : 2·18 = 0,8 : x; x = 1,286 Kg H2O

in 1 Nm3 di gas ci sono 0,04 Nm3 di C2H6 che formano H2O

22,4 : 3·18 = 0,04 : x; x = 0,096 Kg H2O

In totale da 1 Nm3 di combustibile si sono formati 1,286 + 0,096 = 1,382 Kg H2O

Qs = Qi + 1,382·2500 = 34542 KJ/Nm3

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Esercizio 3.8

Calcolare l’aria teorica necessaria per la combustione di 1 Nm3 di gas metano, sapendo che, approssimativamente, nell’aria ogni volume di O2 è accompagnato da 3,8 volumi di N2 , che non reagisce, per formare 4,8 volumi di aria.

Risposta: CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

1 Nm3di CH4 brucia con 2 Nm3 di O2 che sono contenuti in 2·4,8= 9,6 Nm3 di aria.

Esercizio 3.9

Calcolare l’aria teorica di combustione necessaria per la combustione di un Kg di alcol etilico liquido (C2H5OH ; peso molecolare = 46).

Risposta:

C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O

46 (g alcol): 3·22,4·4,8 (l aria) = 1000:x

x= 7012 litri = 7,012 Nm3 di aria.

Esercizio 3.10

Calcolare l’aria teorica necessaria per la combustione di 1 Nm3 di gas etano, C2H6, che brucia secondo la reazione:

2C2H6 + 7 O2 4 CO2 + 6 H2O

Risposta:

16,8 Nm3 di aria.

Esercizio 3.11

Calcolare l’aria teorica necessaria per la combustione di 1 Kg di ottano liquido (C8 H18; peso molecolare 114) che brucia secondo la reazione:

C8 H18+ 25/2 O2 8 CO2 + 9 H2O

Risposta:

11,8 Nm3 di aria

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Esercizio 3.12

Calcolare l’aria necessaria per bruciare con un eccesso del 30% rispetto al teorico, 1 Kg di un combustibile solido con la seguente composizione percentuale in peso:

C= 82 %; H= 4%; O= 8%; N2=2%; S=2 %;Ceneri= 2%

(pesi atomici: C = 12; H = 1; S=32)

Risposta:

Occorre premettere che N2 e ceneri non partecipano alla combustione e che l’ossigeno presente nel combustibile deve essere sottratto da quello da apportare con l’aria per bruciare C, H e S.

C) C+O2 CO2 12(g C): 22,4( l O2)= 820 (g di C in 1 Kg):x

x=1530 litri di O2 a condizioni normali (c,n)

H) 2H + 1/2O2 H2O 2(g H): 11,2( l O2)= 40 (g H):x

x = 224 litri di O2 a c.n

S) S+O2 SO2 32(g S): 22,4( l O2)= 20 (g di S):x

x= 14 litri di O2 a c.n.

In totale sono necessari per la combustione di C, H e S

1530 + 224 + 14 = 1768 l di O2 a c.n.

Bisogna ora sottrarre l’ossigeno presente nel combustibile

32 (g O2) : 22,4 = 80: x; x = 56 l di O2 a c.n.

L’ossigeno da apportare con l’aria è 1768-56 = 1712 l di O2 a c.n. corrispondenti a 1,712·4,8 = 8,22 Nm3 di aria. Tenuto conto che si è utilizzato un eccesso d’aria del 30%, si ha che l’aria impiegata è

8,22 + ⋅10030 8,22 = 10,686 Nm3

Esercizio 3.13

Calcolare l’aria teorica necessaria per la combustione di 5 m3 di un gas con la seguente composizione percentuale in volume:

H2 = 50 %; CO = 40 %; CH4 = 3 %; CO2 = 4 %; N2 = 3 %

Risposta:

12,24 Nm3 di aria.

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Esercizio 3.14

Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Nm3 di CH4 secondo la reazione

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

Risposta:

1 Nm3 di CH4 produce 1 Nm3 di CO2 e 2 Nm3 di H2O

1 Nm3 di CH4 brucia con 2 Nm3 di O2 che sono accompagnati da 2·3,8 = 7,6 Nm3 di N2 .

Il volume totale dei fumi è 1 (CO2) + 2 (H2O) + 7,6 (N2) = 10,6 Nm3.

Esercizio 3.15

Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Kg di alcol etilico liquido (peso molecolare 46) secondo la C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O

Risposta:

CO2) 46:2·22,4 = 1000 : x; x = 973,9 l = 0,9739 Nm3

H2O) 46:3·22,4 = 1000 : x ; x = 1460,9 l =1,4609 Nm3

N2) 46:3·22,4·3,8 = 1000 : x ; x = 5551,3 l = 5,5513 Nm3

I fumi totali ammontano a 7,9861 Nm3.

Esercizio 3.16

Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Nm3 del gas etano, C2H6, secondo la

C2H6 + 7/2 O2 2CO2 + 3 H2O

Risposta:

2 Nm3 di CO2 ; 3 Nm3 di H2O; 13,3 Nm3 di N2 ; totale 18,3 Nm3.

Esercizio 3.17

Calcolare il volume dei fumi ottenuti bruciando 1 Kg di ottano liquido, C8 H18 , (peso molecolare 114) secondo la reazione

C8 H18+ 25/2 O2 8 CO2 + 9 H2O

Risposta:

1,572 Nm3 di CO2 ; 1,768 Nm3 di H2O; 9,333 Nm3 di N2 in totale 12,673 Nm3

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Esercizio 3.18

Calcolare i volumi dei gas presenti nei fumi ottenuti bruciando 5 kg di alcol metilico liquido (CH3OH; peso molecolare = 32) secondo la reazione

2 CH3OH+ 3 O2 2 CO2 + 4 H2O

Risposta:

3,5 Nm3 di CO2 ; 7Nm3 di H2O; 19,95 Nm3 di N2

Esercizio 3.19

I fumi ottenuti bruciando con l’aria teoria 1 Nm3 di un combustibile gassoso di composizione

H2 = 45% (in volume); CO =36 %; CH4 = 14 %; C2H6 = 3%;N2 = 2 %

Sono costituite da:

H2O = 820 l

CO2 = 560 l

N2 = 3002 l

in totale 4382 l. Calcolare la composizione % in volume dei fumi.

Risposta:

H2O = %71,181004382820

=⋅

CO2 = %78,121004382560

=⋅

N2 = %51,6810043823002

=⋅

Esercizio 3.20

Calcolare la temperatura teorica di combustione di un combustibile gassoso costituito da 50% (in volume) di H2 e da 50% di N2 che ha un potere calorifico inferiore di 5398 KJ/Nm3.

Occorre disporre della tabella dei calori sensibili.

Risposta:

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Premesso che solo l’idrogeno partecipa alla combustione secondo la reazione

2H + 1/2O2 H2O è necessario conoscere la composizione dei fumi ottenuti bruciando 1 Nm3 di combustibile.

H2O) 0,5 Nm3 di H2 producono 0,5 Nm3 di H2O; l’ossigeno consumato è la metà dell’idrogeno, cioè 0,25 Nm3 che sono accompagnati da 0,25·3,8 = 0,95 Nm3 di N2

N2) 0,5 Nm3 nel combustibile + 0,95 apportati con l’aria teorica.

In totale 0,5+0,95 = 1,45 Nm3 di N2

Dalla tabella dei calcoli sensibili si ricavano questi dati:

1700 °C: i calori sensibili (riferiti a 1 Nm3) di H2O e N2 valgono 3205 e 2484 KJ; tenuto conto dei gas presenti nei fumi per riscaldarli a 1700 °C occorrono 0,5·3205 + 1,45·2484 = 5204 KJ

1800°C : i calori sensibili valgono 3430 (H2O) e 2647 (N2) KJ 0,5 ·3430 + 1,45 ·2647 = 5553 KJ

La soluzione grafica porta al valore di 1756 °C.

Q

5398

5553

5204

1700 1756 1800 °C

Esercizio 3.21

Calcolare la temperatura teorica di combustione di un combustibile liquido costituito dall’86% in peso di C e dal 14 % di H il cui potere calorifico inferiore vale 42874 KJ/Kg

C+O2 CO2

2H + 1/2O2 H2O

Risposta:

Occorre calcolare la composizione dei fumi:

C) 12:22,4 = 860:x ; x = 1605 l = 1,605 Nm3 di O2 consumato e di CO2 formatasi

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H) 2:11,2 = 140:x ; x = 784 l = 0,784 Nm3 di O2 consumato;

si sono formati 0,784·2 =1,568 Nm3 di H2O

ossigeno totale consumato 1,605+0,784=2,389 Nm3 O2

N2 passato nei fumi 2,389·3,8 = 9,078 Nm3

Dalla tabella dei calori sensibili:

2000 °C 2200 °C

CO2 1,605 · 4851 + 1,605 ·5394 +

H2O 1,568 · 3890 + 1,568 · 4361 +

N2 9,078 · 2967 = 9,078 · 3292 =

____________________________________________

40820 45380

La soluzione grafica porta al valore di 2090°C.

Esercizio 3.22

Con riferimento al precedente esercizio 3.21 calcolare la temperatura di combustione nel caso in cui si sia impiegato un eccesso d’aria del 20 % rispetto al teorico.

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Risposta:

Il 20 % in eccesso corrisponde al 20 % dell’ossigeno totale consumato moltiplicato per 4,8. Vale cioè:

293,28,410020398,2 =⋅⋅ Nm3 di aria che passano nei fumi. Utilizzando la tabella dei calori sensibili

anche per l’aria si ha:

1700°C 1800°C

CO2 1,605·4047 + 1,605·4316 +

H2O 1,568·3205 + 1,568·3430 +

N2 9,078·2484 + 9,078·2647+

aria 2,293·2514 = 2,293·2675 =

39835 42945

La soluzione grafica porta al valore di 1798°C.

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Esercizio 3.23

Con riferimento all’esercizio 3.20 calcolare la temperatura di combustione nel caso in l’aria teorica di combustione fosse stata preliminarmente preriscaldata a 300°C.

Risposta:

L’ossigeno necessario alla combustione era pari a 25 Nm3 cui corrispondevano 0,25·4,8= 1,2 Nm3di aria. Dalla tabella dei calori sensibili, che indica in 396 KJ il calore necessario a riscaldare a 300°C 1 Nm3 di aria, si ricava che il preriscaldamento di 1,2 Nm3 comporta un numero di J pari a 396·1,2=475 KJ. Questi KJ vanno sommati ai 5398 KJ del potere calorifico inferiore del combustibile. Per riscaldare lo stesso volume di fumi sono ora disponibili 5398+475= 5873 KJ.

Dalla tabella dei calori sensibili si ha:

1800°C 1900°C

H2O 0,5·3430 + 0,5·3656+

N2 1,45·2647 = 1,45·2804=

5553 KJ 5894 KJ

La soluzione grafica porta al valore 1899°C.

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Esercizio 3.24

Calcolare il potenziale termico del gas metano sapendo che il potere calorifico inferiore vale 35751 KJ/Nm3 .

Risposta:

CAT

it VV

QP

+=

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

Qi = 35751 KJ/Nm3

Vat) a 2 Nm3 O2 corrispondono 2·4,8= 9,6 Nm3 di aria

Vc= 1

3/337316,9

35751 NmKJPt =+

=

Esercizio 3.25

Calcolare il potenziale termico dell’alcol etilico, C2H5OH , liquido sapendo che il potere calorifico inferiore vale 26841 KJ/Kg e che il calore di vaporizzazione vale 920 KJ/Kg. Peso molecolare di C2H5OH = 46.

Risposta:

CAT

vit VV

QQP

++

= C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O

VAT) 46:3·22,4·4,8= 1000:x; x= 7012 l= 7,012 Nm3

Vc) 46:22,4= 1000:x; x= 487 l= 0,487 Nm3

3/3702487,0012,7

92026841 NmKJPt =++

=

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Esercizio 3.26

Calcolare il potenziale termico dell’ottano, C8 H18, liquido sapendo che il potere calorifico inferiore vale 44965 KJ/Kg e che il calore di vaporizzazione vale 420 KJ/Kg.

C8 H18+ 25/2 O2 8 CO2 + 9 H2O

Risposta:

3787 KJ/Nm3

Esercizio 3.27

Calcolare il potenziale termico di un gas costituito dal 60% (in volume) di CH4 ; 20% di H2 e 20% di N2 sapendo che il potere calorifico inferiore vale 23605 KJ/N3 .

VAT) Calcolare prima l’ossigeno necessario alla combustione

CH4) CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

0,6·2= 1,2 Nm3

H2 ) H2+ 1/2O2 H2O

0,2·1/2= 0,1

in totale 1,2+0,1=1,3 Nm3 di O2 pari a 1,3·4,8= 6,24 Nm3 di aria.

3/3260124,6

23605 NmKJPt =+

=

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