CORSO DI ABILITAZIONE PER LA
CERTIFICAZIONE ENERGETICA PER LA
PROVINCIA AUTONOMADI TRENTO
AI SENSI DEL D.G.P. del 22 dicembre 2009, n. 3110
Argomento della lezione
Fonti energetiche convenzionali:
combustibili,comburente, combustione,
potere calorifico
Calcolo del fabbisogno di energia
primaria
Docente
Dott. Ing. Franco Barosso
13 aprile 2012
Dott. Ing. Franco Barosso
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LA COMBUSTIONE
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ENERGIA PRIMARIA
e
COMBUSTIONE
Il potere calorifico dei combustibili
ARIA
SOLIDO
OSSIGENO
LIQUIDO
GASSOSO
Carbone
Legna
Gasolio
Kerosene
G.P.L.
Metano
INNESCO o ENERGIA DI ATTIVAZIONE
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COMBUSTIONE
Per combustione si intende la rapida reazione di una sostanza
(combustibile) con l’ossigeno dell’aria (comburente), caratterizzata da
un forte sviluppo di calore e in piccola parte di energia elettromagnetica
(luce), di energia meccanica (rumore) e di energia elettrica (ioni ed
elettroni liberi).
A causa della presenza dell’ossigeno viene anche definita ossidazione.
La reazione di ossidazione deve essere innescata portando la miscela
aria-combustibile alla temperatura di accensione.
Gli elementi indispensabili per la combustione sono dunque:
• il combustibile,
• l’aria comburente,
• l’innesco della combustione.
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SOSTANZE COMBUSTIBILI
Per combustibile si intende una sostanza che reagisce facilmente con
l’ossigeno per sviluppare una elevata quantità di calore (reazione fortemente
esotermica).
Un combustibile è tanto più pregiato quanto più presenta i seguenti requisiti:
• elevata capacità di produrre energia termica,
• facilità di reperibilità sul mercato, disponibilità a basso costo, facilità di
trasporto e di immagazzinamento,
• non essere nocivo o corrosivo né direttamente né con i prodotti della
combustione,
• essere relativamente “non infiammabile” (durante il trasporto e nei depositi),
• impiego con alti rendimenti e basso costo di esercizio.
In natura si trovano combustibili (naturali) allo stato solido, liquido e gassoso;
altri combustibili (derivati) sono prodotti dall’uomo per esigenze diverse.
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COMBUSTIBILI
I combustibili contengono carbonio, idrogeno, piccole
quantità di zolfo, sostanze incombustibili, vapor d’acqua e
inerti.
Gli elementi che possono bruciare sono:
• carbonio (C),
• idrogeno (H),
• zolfo (S).
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PRODOTTI COMBUSTIONE
La combustione completa produce principalmente:
• anidride carbonica (CO2),
• vapor d’acqua (H2O),
• anidride solforosa (SO2),
• anidride solforica (SO3).
Una combustione completa non viene quasi mai raggiunta,
per cui nei prodotti della combustione si trovano anche
piccole quantità di ossido di carbonio (CO) e tracce più o
meno consistenti di ossidi di azoto (NOx).
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COMBUSTIONE
Le reazioni di combustione complete di
queste tre sostanze sono così riassunte:
C + O2 → C O2 + 34 MJ
H2 + ½ O 2 → H2O + 144,4 MJ
S + O2 → SO2 + 10,9 MJ
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ARIA TEORICA DI COMBUSTIONE
Dalle reazioni precedenti si può calcolare la
quantità stechiometrica (teorica) di ossigeno
(e quindi di aria) necessaria per la
combustione di un kg di “elemento”
combustibile, tenendo conto dei pesi atomici
e molecolari.
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PESI MOLECOLARI DEI COMBUSTIBILI
Elemento
Simbolo
Peso
atomico
Composti
Formula
Peso
molecolare
Idrogeno
H
1
Acqua
H2O
18
Ossigeno
O
16
Anidride
carbonica
CO2
44
Azoto
N
14
Ossido di
carbonio
CO
28
Carbonio
C
12
Anidride
solforosa
SO2
64
Zolfo
S
32
Anidride
solforica
SO3
80
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ARIA TEORICA DI COMBUSTIONE
Conoscendo la composizione media di un combustibile (quantità in
peso di ogni elemento espresso in percentuale) si ha:
kg di ossigeno / kg combustibile = 8/3 x (%C) + 8 x (%H) + 1 x (%S)
Ricordando che l’ossigeno è presente nell’aria al 23% in peso, si ha la
quantità in peso di aria teorica necessaria per la combustione completa
di un kg di combustibile:
At = 100/23 x [8/3 x (%C) + 8 x (%H) + 1 x (%S)]
Si possono così riportare le quantità di aria teorica per la combustione
dei singoli elementi (tenendo presente che il peso specifico dell’aria in
condizioni normali è di 1,293 kg/Nm3):
• per 1 kg di H sono necessari 34,78 kg di aria (26,89 Nm3)
• per 1 kg di C sono necessari 11,59 kg di aria (8,9 Nm3)
• per 1 kg di S sono necessari 4,34 kg di aria (3,36 Nm3)
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CARATTERISTICHE COMBUSTIBILI
Peso
specifico
Combustibile
Composizione media
C(%)
0,92
[kg/dm3]
Oli
combustibili
0,83
[kg/dm3]
Gasolio
0.7171
[kg/Nm3]
Metano
0,51
[kg/dm3]
86
CO2 max
S(%)
Nm3/kg
10,5
3,5
10,53
15,6
9760
-
13,4
0,7
11,21
15,1
10210
-
H(%)
25
Nm3/m3
Potere calorifico
inferiore
Kcal/kg
Kcal/Nm3
13,37
9,6
11,7
11930
8550
Propano
46
23,6
13,8
11070
22350
0,58
[kg/dm3]
Butano
53
30,8
14,1
10920
29510
0,56
[kg/dm3]
Miscela P-B
30/70
51
28,6
14
9600
26500
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Aria teorica
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COMBUSTIONE STECHIOMETRICA
Si parla di combustione stechiometrica quando il
combustibile reagisce con l’esatta quantità di
ossigeno richiesto per ossidare completamente il
carbonio, l’idrogeno e lo zolfo.
Teoricamente quindi nei prodotti di una
combustione stechiometrica non sono presenti
incombusti né ossigeno in eccesso e la
percentuale di CO2 è la più alta possibile.
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COMBUSTIONE
In pratica è raro che si possa realizzare una combustione
perfettamente stechiometrica a causa di una imperfetta
miscelazione del combustibile con l’aria e per la velocità
con la quale avviene la combustione.
È necessario quindi fornire un eccesso d’aria in modo tale
da ridurre al minimo gli incombusti sia per evidenti ragioni
di economia sia per ridurre al minimo l’inquinamento
atmosferico dovuto appunto a presenza di ossido di
carbonio e di altri incombusti nei fumi emessi.
È anche evidente però che l’eccesso d’aria deve essere
limitato per poter raggiungere la più alta efficienza.
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ARIA
L’ossigeno per la combustione è normalmente quello
presente nell’aria, che può essere considerata costituita da:
• con riferimento al volume:
– 20,95 % di ossigeno
– 79,05 % di azoto e di altri gas inerti
• con riferimento alla massa:
– 23,15 % di ossigeno
– 76,85 % di azoto e di altri gas inerti
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ECCESSO D’ARIA
È necessario, per garantire il più possibile l’intimo contatto dell’aria con il combustibile in
tutte le sue particelle, realizzare una miscela con dell’aria in eccesso.
Tale risultato sarà più difficile da raggiungere passando dai combustibili gassosi a quelli
liquidi e solidi e nello stesso ordine aumenterà l’eccesso d’aria.
Una buona combustione comunque deve avvenire con il minore eccesso d’aria possibile
compatibilmente con l’esigenza di non generare incombusti.
L’eccesso d’aria ottimale si può così calcolare:
• dove:
CO2 teorica = % massima in volume di CO2 nei fumi per combustione teorica completa
CO2 = % in volume di CO2 nei fumi rilevata dall’analisi dei fumi per la combustione reale
in esame
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CONTENUTO PERCENTUALE MASSIMO IN VOLUME NEI FUMI DI CO2 PER
COMBUSTIONE TEORICA COMPLETA
COMBUSTIBILI
CO2 teorica (%)
Antracite
19,14
Legna
20,07
Coke
20,5
Kerosene
14,9
Gasolio
15,1
Olio combustibile fuido
15,6
Olio combustibile semifluido
15,7
Olio combustibile denso ATZ
15,8
Olio combustibile denso BTZ
15,8
Metano
11,7
Propano
13,8
Butano
14,1
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LIMITI DI INFIAMMABILITA’ E TEMPERATURA DI
ACCENSIONE
Un combustibile potrà bruciare regolarmente solo quando nella miscela
le percentuali di combustibile e aria siano comprese entro certi limiti
detti: UEL (Upper Explosive Limits) e LEL (Low Explosive Limits). La
pressione e la temperatura influenzano sensibilmente questi limiti.
Un’altra importante caratteristica dei combustibili è la temperatura di
accensione che è la temperatura minima alla quale può iniziare e
proseguire la reazione di ossidazione con sviluppo di calore. Al di sotto
di tale temperatura non c’è combustione. Per i combustibili solidi la
temperatura di accensione (detta anche di ignizione) si aggira sui 500 ÷
600 °C. Per i combustibili gassosi tale temperatura dipende anche dalla
velocità dei fluidi (combustibile e aria).
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POTERE CALORIFICO
Il potere calorifico è la quantità di calore prodotta dalla
combustione completa di 1 kg di combustibile solido o
liquido o di 1 Nm3 di gas.
Si definisce normal metro cubo (Nm3) il volume di un metro
cubo di gas in condizioni “normali” (760 mmHg, 0 °C) .
Il potere calorifico si misura in MJ/kg (o kcal/kg) per i
combustibili solidi e liquidi; per i combustibili gassosi si
misura in MJ/Nm3 (o kcal/ Nm3).
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POTERE CALORIFICO
Si distinguono due tipi di potere calorifico:
• potere calorifico superiore (p.c.s.) misurato dalle calorie sviluppate
dalla combustione quando tutto il vapor d’acqua prodotto
dalla combustione stessa si condensa;
• potere calorifico inferiore (p.c.i.) misurato dalle calorie sviluppate
dalla combustione quando non avviene la condensazione del
vapor d’acqua.
Il potere calorifico è una grandezza caratteristica di ogni combustibile;
viene determinato sperimentalmente mediante calorimetri (ad esempio,
la bomba calorimetrica di Mahler).
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POTERE CALORIFICO
Il potere calorifico superiore differisce da
quello inferiore di circa 230 kJ (= 55 kcal)
per ogni 1% di idrogeno contenuto nel
combustibile.
Il calore di condensazione è pari a circa
2500 kJ/kg.
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POTERE CALORIFICO
I poteri calorifici indicati nelle tabelle sono valori
teorici massimi, per cui in presenza di
combustione incompleta essi non saranno
raggiunti.
Occorre poi tener conto delle perdite di calore per
alta temperatura dei prodotti della combustione e
delle perdite (per convezione e per irraggiamento)
da parte delle pareti calde della caldaia verso
l’ambiente circostante.
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COMBUSTIBILI SOLIDI
Essi contengono: carbonio, idrogeno, ossigeno,
azoto, zolfo, umidità, ceneri.
L’analisi chimica non fornisce però indicazioni sulla
qualità né definisce le caratteristiche di
combustione.
Si è invece interessati a conoscere il potere
calorifico, le quantità di ceneri e polveri prodotte
nonché le caratteristiche di trasportabilità,
stoccaggio e combustione.
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CENERI
Sono quelle sostanze incombustibili, contenute nei
carboni, costituite essenzialmente da minerali,
argille, scisti, per cui, dal punto di vista chimico,
trattasi di silice SiO2, allumina Al2O3, calce viva
CaO, ossido ferrico Fe2O3.
Più alto è il contenuto di ceneri e minore è la
qualità del combustibile e più basso è il suo potere
calorifico.
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CLASSIFICAZIONE COMBUSTIBILI SOLIDI
PAGLIA
E’ la frazione leggera dei cereali.
Si compone essenzialmente di carbonio
(lignina), cellulosa e vapor d’acqua: 1 t di
paglia equivale a circa 0,4 t di petrolio
equivalente.
Il suo potere calorifico inferiore varia da
10.000 a 14.000 kJ/kg.
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CLASSIFICAZIONE COMBUSTIBILI SOLIDI
LEGNA
Appena tagliata la legna contiene una grande quantità
d’acqua (fino al 60%); dopo essiccazione in luoghi asciutti
e aerati la percentuale si riduce al 15 ÷ 20%.
La massa volumica è di 300 ÷÷ 450 kg/m3.
Il potere calorifico inferiore varia molto in funzione delle
caratteristiche di stagionatura (contenuto di umidità: da
6.000 kJ/kg (per un’umidità del 60%) a 16.500 ÷ 18.500
kJ/kg per un’umidità del 15%.
Un combustibile derivato è il carbone di legna, ottenuto per
combustione incompleta del legno al di sopra dei 400 °C in
difetto d’aria.
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CLASSIFICAZIONE COMBUSTIBILI SOLIDI
COMBUSTIBILI FOSSILI
Si sono creati in periodi lunghissimi di milioni
di anni dalla trasformazione di grandi
giacimenti di legna.
Fra questi si distinguono la torba, la lignite, i
litantraci e le antraciti.
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CLASSIFICAZIONE COMBUSTIBILI FOSSILI
TORBA
E’ un fossile di più recente formazione, si trova in
giacimenti orizzontali creatisi per trasformazione
della legna sommersa nelle paludi.
All’estrazione essa contiene una elevata quantità
di acqua, fino all’85%.
Dopo asciugatura la massa volumica è di 310 ÷
380 kg/m3 mentre per la torba ridotta in mattonelle
si arriva a 650 ÷ 750 kg/m3.
Il potere calorifico inferiore può arrivare fino a
14.650 kJ/kg.
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CLASSIFICAZIONE COMBUSTIBILI FOSSILI
LIGNITI
Sono fossili che hanno subito una trasformazione più profonda rispetto alla
torba.
Vengono distinte in xiloidi (legnose) e picee (compatte).
Le xiloidi hanno una struttura fibrosa, aspetto legnoso, colore chiaro. Possono
contenere, appena estratte, fino al 60% di acqua. Dopo essiccazione all’aria il
contenuto d’acqua di abbassa fino al 20%.
La massa volumica è compresa fra 600 e 700 kg/m3.
La lignite picea o carboniosa è più simile al litantrace, ha un minor contenuto di
umidità (5 ÷ 10%) ed un più elevato potere calorifico. La massa volumica è
compresa fra 750 e 800 kg/m3.
La lignite è particolarmente sensibile all’ossidazione e alle autocombustioni, per
cui viene spesso utilizzata nelle immediate vicinanze del giacimento, per
evitare trasporti pericolosi.
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CLASSIFICAZIONE COMBUSTIBILI FOSSILI
CARBONI FOSSILI
Sono i combustibili fossili più importanti.
In dipendenza della loro età essi presentano caratteristiche diverse: più
sono vecchi, più alto è il potere calorifico e minore il contenuto di
sostanze volatili.
Il litantrace, detto comunemente carbon fossile, è derivato dalla
trasformazione di masse legnose sommerse per milioni di anni sotto
strati molto spessi di rocce a seguito di sconvolgimenti tellurici.
Esso si presenta lucente e friabile e si distingue in grasso e magro (in
relazione al contenuto di bitume), oppure a fiamma lunga o corta (a
seconda del modo con cui brucia).
La massa volumica varia da 680 a 750 kg/m3.
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CLASSIFICAZIONE COMBUSTIBILI FOSSILI
CARBONI FOSSILI
L’antracite è un carbone di più antica formazione.
Non c’è più alcuna traccia di vegetali.
E’ di colore plumbeo, metallico, lucente e brucia
con poca fiamma, senza odore e fumo.
La massa volumica è di 800 ÷ 850 kg/m3.
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COMBUSTIBILI SOLIDI
Fra i combustibili solidi possono essere
anche
inclusi
quelli
ottenuti
per
agglomerazione del minuto e della polvere
di carbone, eventualmente additivati con
leganti, quali pece di catrame.
Cambiando l’origine i conglomerati hanno un
potere calorifico inferiore variabile tra 23.000
e 31.000 kJ/kg.
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COKE
Fra i combustibili solidi derivati il più noto e utilizzato è il
coke: ha un aspetto poroso, colore grigio ferro, brucia
senza fiamma, essendo privo, o quasi, di materie volatili.
Può essere ottenuto dalla distillazione di litantrace grasso a
fiamma corta fino ad una temperatura di 1.100 ÷ 1.200 °C
ed allora prende il nome di coke metallurgico, in quanto è
impiegato per la carica degli altiforni. Ha una buona
resistenza meccanica, porosità per reagire con l’aria, basso
contenuto di umidità (max 5%), 8% di ceneri, 1% di zolfo e
non fonde per non impedire il passaggio di aria e gas.
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COKE
Il coke da gas si ottiene, sempre per distillazione a
1.000 ÷1.100 °C, da litantraci grassi a fiamma
lunga.
E’ impiegato nel riscaldamento domestico.
Il potere calorifico è di 29.300 kJ/kg, le ceneri sono
il 15 ÷ 20%, la massa volumica è di 350 ÷ 400
kg/m3.
E’ un sottoprodotto della produzione del gas di
città.
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COMBUSTIBILI GASSOSI
I combustibili gassosi più usati sono il gas
naturale (quello da noi utilizzato è
assimilabile al metano: CH4), i gas di petrolio
liquefatti (GPL) ed i gas di città.
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GAS NATURALE
Il gas naturale, incolore ed inodore, si trova
accumulato nelle parti superiori delle cavità
sotterranee contenenti petrolio e gas.
Esso è una miscela di metano (dal 55 al 98%),
idrocarburi come etano e diversi altri costituenti,
quali vapor d’acqua, idrogeno solforato, elio, gas di
petrolio che vengono in genere rimossi prima di
immettere il gas nelle reti di distribuzione.
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GAS NATURALE
La composizione del gas naturale dipende dalla zona geografica di
prelievo; la costituzione tipica è la seguente:
70 ÷ 96 %
• metano (CH4)
• etano (C2H6)
1 ÷ 14 %
• propano (C3H8)
0÷4%
• butano (C4H10)
0÷2%
• pentano (C5H12)
0 ÷ 0,5 %
• esano (C6H14)
0÷2%
0÷2%
• anidride carbonica (CO2)
• ossigeno (O2)
0 ÷ 1,2 %
• azoto (N2)
0,4 ÷ 17%
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GAS NATURALE
Il potere calorifico può variare da 34 a 45 MJ/m3; l’intervallo tipico è
37,3 ÷ 39,2 MJ/m3, a livello del mare.
Il gas, prima di essere distribuito viene odorizzato con l’aggiunta di un
prodotto chimico allo scopo di poterne avvertire subito la fuoriuscita.
Dal punto di vista tossico, non contenendo monossido di carbonio, il
gas naturale non è pericoloso ma una combustione incompleta (che
produce CO) o la miscela con aria rendono questo gas ugualmente
pericoloso.
Perché vi sia esplosione è necessario che concorrano
simultaneamente tre condizioni: fuga di gas in locale chiuso, miscela
con aria in proporzione del 5 ÷ 15% e presenza di fiamma o di una
scintilla.
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GAS NATURALE
Il gas naturale, una volta depurato, viene distribuito
immettendolo in una rete (metanodotto), opportunamente
protetta dalla corrosione chimica ed elettrochimica
(rivestimenti protettivi, protezione catodica).
Per mantenere la pressione lungo le reti (con utenze anche
a centinaia di kilometri) si ricorre a stazioni intermedie di
compressione, a distanza di circa 80 km l’una dall’altra, per
mantenere valori di pressione attorno ai 70 bar. Prima
dell’utilizzo la pressione viene ridotta in stazioni di
decompressione (fino a 4 bar, media pressione) e poi
ancora fino a 20 mbar (bassa pressione).
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GAS DI PETROLIO LIQUEFATTI (GPL)
Sono idrocarburi, gassosi a temperatura ordinaria, che però, sotto
modeste pressioni, diventano liquidi e possono quindi essere stoccati e
trasportati.
Essi consistono principalmente in propano e butano e vengono utilizzati
puri o miscelati tra di loro o con aria.
Anche questi gas, per ragioni di sicurezza, vengono odorizzati e non
sono tossici.
In commercio sono disponibili gas non puri quali:
• propano commerciale,
• butano commerciale,
• miscele di propano-aria,
• miscele di butano-aria.
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ALTRI TIPI DI COMBUSTIBILI GASSOSI
Oltre al gas naturale ed ai GPL esistono numerosi altri tipi di gas che, con la
sempre più diffusa utilizzazione del metano, hanno oggi una importanza ridotta.
Si tratta di:
• gas di altoforno,
• gas di cokeria,
• gas di raffineria,
• gas manifatturato.
C’è poi il gas di città che viene ottenuto dalla distillazione di carboni fossili (il
residuo è il coke) e dal gas d’acqua, ottenuto a sua volta facendo passare
vapor d’acqua su un letto del combustibile da gassificare.
Il potere calorifico è di circa 16.750 kJ/m3.
La densità rispetto all’aria è 0,45 ÷ 0,50.
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INTERCAMBIABILITA’ DEI GAS
Un
dato
gas,
per
essere
considerato
“intercambiabile” con un gas combustibile di
riferimento, deve poter bruciare, in un bruciatore
destinato a quest’ultimo, in modo regolare, cioè
senza che si verifichi alcuno dei seguenti
inconvenienti:
• combustione incompleta,
• distacco di fiamma,
• ritorno di fiamma.
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INDICE DI WOBBE
Il problema è stato affrontato sul piano teorico da Wobbe, che ha
rilevato che, a pari pressione, l’erogazione termica in un bruciatore
risulta proporzionale al potere calorifico superiore del gas riferito
all’unità di volume ed alla portata del gas sul bruciatore, che è
inversamente proporzionale alla radice quadrata della densità del gas.
Si chiama “Normale del gas” una grandezza definita INDICE DI
WOBBE:
W = Hs / √ d
dove:
W = indice di Wobbe in MJ/Nm3 (kcal/Nm3);
Hs = potere calorifico superiore del gas in MJ/Nm3 (kcal/Nm3);
d = densità del gas riferita all’aria (la cui densità è pari a 1).
Pertanto due gas aventi lo stesso indice di Wobbe danno luogo, se la pressione
di alimentazione è la stessa, alla medesima erogazione termica.
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FUMI DI COMBUSTIONE
I fumi derivanti da una combustione completa in eccesso
d’aria sono costituiti, in generale, da anidride carbonica
(CO2), vapore d’acqua (H2O), anidride solforosa (SO2),
piccolissime percentuali di anidride solforica (SO3), azoto
(N2) contenuto nell’aria, ossidi di azoto (NOx), ossigeno
(O2) dovuto all’eccesso d’aria, fuliggine (C) in quantità
molto limitate.
E’ importante limitare la presenza di ossido di carbonio
(CO), data la sua tossicità. In Italia il limite massimo
consentito corrisponde allo 0,1% volumetrico nei fumi
secchi.
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COMBUSTIBILI LIQUIDI
Derivano dalla distillazione frazionata del petrolio; il greggio si trova in giacimenti a
diverse profondità, dai quali viene estratto e inviato agli impianti per la lavorazione.
Prima viene lasciato in apposite vasche di decantazione e poi inviato in raffineria,
dove viene riscaldato e successivamente pompato in una torre di frazionamento a
pressione atmosferica. Durante la distillazione nella parte più alta si raccolgono i
gas, poi, ad una temperatura tra i 30 °C ed i 180 ° C, si formano le benzine, tra i 180
°C ed i 250 °C il petrolio o il kerosene, quindi, t ra i 250 °C ed i 360 °C si forma il
gasolio o olio diesel.
La parte che non riesce a distillare forma un residuo la cui viscosità è piuttosto alta.
Con questo procedimento, pertanto, si ottengono:
- gas,
- distillati (benzine, kerosene, gasoli),
- oli lubrificanti,
- residui (oli combustibili e bitumi).
Per ottenere oli combustibili più fluidi si diluiscono i residui con petrolio e gasolio in
quantità variabili proporzionalmente alla viscosità da ottenere.
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COMBUSTIBILI LIQUIDI
Le principali caratteristiche di un combustibile liquido sono:
• viscosità,
• potere calorifico,
• punto di scorrimento,
• tenore di acqua e sedimenti,
• contenuto in zolfo,
• contenuto in ceneri,
• peso specifico o massa volumica,
• punto di infiammabilità e punto di accensione,
• calore specifico.
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VISCOSITA’
La viscosità è la resistenza offerta da un liquido allo
scorrimento.
Si definisce viscosità dinamica (o assoluta) la forza
necessaria a far scorrere una superficie piana unitaria di
liquido con velocità unitaria rispetto ad un’uguale superficie
posta a distanza unitaria dalla prima.
La viscosità dinamica µ si esprima in
Pa • s = N • s / m2
Spesso si incontrano ancora i CENTIPOISE
1 Pa • s = 10 P = 1000 cP
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(cP):
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VISCOSITA’
Nella pratica si impiega maggiormente la viscosità cinematica, definita
dal rapporto tra la la viscosità dinamica di un liquido e la sua massa
volumica.
La viscosità cinematica ν è così definita:
ν = µ / ρ (m2/s)
È ancora in uso il CENTISTOKES (cSt)
1 m2/s = 104 cm2/s = 104 St = 106 cSt
Tra centistokes e gradi °E non c’è proporzionalità diretta, per cui si
ricorre a tabelle di conversione.
Negli Stati Uniti la viscosità è espressa in SSU (Secondi Saybolt
Universal) e, per fluidi molto viscosi, in SSF (Secondi Saybolt Furol).
In Gran Bretagna è utilizzata l’unità di misura Redwood I (Secondi
Redwood Standard) e, per fluidi molto viscosi, l’unità Redwood II
(Secondi Redwood Admiralty).
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VISCOSITA’
La viscosità esprime l’attitudine propria di un liquido a scorrere con
maggiore facilità.
Per gli oli combustibili ha una grande importanza in relazione alla
facilità di pompaggio nonché alla polverizzazione per poterli bruciare.
La viscosità varia fortemente con la temperatura.
La viscosità di un olio viene determinata tramite appositi apparecchi
chiamati viscosimetri; la misura viene generalmente espressa in gradi
Engler (°E): indicano il rapporto tra il tempo di ef flusso di un certo
volume di combustibile alla temperatura di 50 °C (2 0 °C per il gasolio)
ed il tempo impiegato da un uguale volume di acqua a 20 °C per
defluire dallo stesso foro calibrato.
Il valore ottenuto deve venire sempre accompagnato dalla temperatura
alla quale il combustibile si trova durante la determinazione.
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COMBUSTIBILI LIQUIDI
PUNTO DI SCORRIMENTO
Il punto di scorrimento (pour point) è il
valore della temperatura al di sotto del
quale il combustibile cessa di scorrere per
effetto del solo suo peso, cioè tende a
solidificare.
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COMBUSTIBILI LIQUIDI
ACQUA E SEDIMENTI
Acqua e sedimenti rappresentano impurità che si incorporano nei
combustibili per contaminazione, prevalentemente durante le
operazioni di trasporto e di travaso.
Sono soprattutto costituiti da particelle metalliche, terra, sabbia, ecc.
che in genere si depositano sul fondo dei serbatoi ma che possono
arrivare fino ai bruciatori, intasando i filtri e provocando lo spegnimento
dei bruciatori.
Il tenore di acqua in un combustibile può causare degli inconvenienti
alla combustione solo se è eccessivo. In genere però il contenuto
d’acqua non supera l’1 ÷ 2% (valore tollerabile).
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COMBUSTIBILI LIQUIDI: ZOLFO
Lo zolfo, che è presente nel petrolio grezzo, si ritrova in massima parte
nei residui di distillazione, cioè negli oli combustibili, poiché i composti
solforati sono alto bollenti.
E’ un elemento indesiderabile, in quanto, oltre ad essere una delle fonti
di inquinamento atmosferico (piogge acide), può risultare dannoso
soprattutto negli impianti mal costruiti poiché, nella sua reazione di
ossidazione, si sviluppa anidride solforosa e, in particolari condizioni,
anidride solforica che, reagendo con l’acqua, forma acido solforico, la
cui presenza è sempre causa di corrosioni per le parti metalliche con
cui viene a contatto.
La temperatura a cui si ha la condensazione del vapor d’acqua (causa
di formazione dell’acido corrosivo) è detta “punto di rugiada”.
Il valore del punto di rugiada aumenta all’aumentare della percentuale
di anidride solforosa (SO2) presente nei fumi.
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COMBUSTIBILI LIQUIDI: CENERI
Le ceneri rappresentano la parte incombustibile del prodotto e sono
costituite, oltre che da impurità minerali (polveri, sabbia), da composti
metallici (sodio, vanadio, ferro, magnesio, ecc.) presenti nel petrolio
grezzo e non eliminabili.
Con la combustione si raccolgono nella caldaia e nella canna fumaria,
dove possono produrre incrostazioni e depositi che ostacolano il
tiraggio ed alterano le condizioni di funzionamento dell’impianto. Inoltre,
essendo di natura abrasiva, possono dar luogo, durante l’impiego, a
logorio delle parti meccaniche (pompe, valvole, ugelli, ecc.). I composti
di vanadio e sodio, in particolare, favoriscono l’imbrattamento,
l’ossidazione da SO2 a SO3 e quindi la corrosione.
In media il tenore in ceneri di un combustibile liquido varia da 0,015 a
0,05 % (per gli oli più densi). Solo eccezionalmente tale valore
raggiunge lo 0,1 ÷ 0,2 %.
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COMBUSTIBILI LIQUIDI
PESO SPECIFICO
Il peso specifico rappresenta il peso in kg di un
dm3 di combustibile a 15 °C; varia da = 0,820
kg/dm3 per il gasolio a 0,940 per le nafte più dense
(dipende, anche se non in maniera importante,
dalla temperatura).
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COMBUSTIBILI LIQUIDI
PUNTO DI INFIAMMABILITA’ E PUNTO DI ACCENSIONE
Il punto di infiammabilità di un combustibile liquido è la temperatura alla
quale questo liquido deve essere riscaldato per sviluppare gas
sufficiente a formare con l’aria una miscela infiammabile, in presenza di
una fiamma (senza che vi sia combustione continua). Il valore del punto
di infiammabilità interessa dal punto di vista della sicurezza nel
trasporto, nell’immagazzinamento e soprattutto per la temperatura alla
quale può essere riscaldato senza alcun pericolo.
In Italia le norme prescrivono che il punto di infiammabilità, determinato
con il metodo Pensky-Martens, non sia inferiore a 65 °C, con un limite
massimo di 125 °C.
Si definisce invece punto di accensione la temperatura alla quale i
vapori del combustibile e l’aria danno combustione continua (anche
dopo l’allontanamento della fiamma).
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COMBUSTIBILI LIQUIDI
CALORE SPECIFICO
Il calore specifico è definito come la quantità di calore
necessaria per innalzare di 1 °C la temperatura del l’unità di
peso di una data sostanza.
Per i combustibili liquidi più comuni si può assumere un
valore medio di 2 kJ/(kg K) = 0,5 kcal/(kg °C); que sto valore
serve per determinare il calore da fornire ad una certa
quantità di combustibile per riscaldarlo fino ad una data
temperatura.
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TEMPERATURA TEORICA DI COMBUSTIONE
E’ la massima temperatura che si raggiungerebbe nei fumi per effetto di
una combustione completa senza alcun eccesso d’aria (il che non è
possibile) e nell’ipotesi che tutto il calore sviluppato nelle reazioni
esotermiche di ossidazione dei diversi componenti del combustibile sia
utilizzato per innalzare la temperatura dei fumi, che non vi siano scambi
di calore con l’esterno e che non ci sia trasformazione in energia
raggiante. In realtà circa un terzo dell’energia sviluppata nella
combustione si trasforma in energia raggiante.
La temperatura di combustione inoltre non può raggiungere i valori
teorici perché al di sopra dei 1600 °C c’è la dissoci azione del vapor
d’acqua e dell’anidride carbonica formatasi con sottrazione di calore.
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GAS COMBUSTI
La composizione dei gas combusti può essere
rappresentata graficamente con il triangolo di combustione
o triangolo di Ostwald: ne esiste uno per ogni tipo di
combustibile.
Con questo triangolo si può ricavare il contenuto di CO e
l’eccesso d’aria, note le percentuali di CO2 e O2.
Sulle ascisse è riportato il contenuto percentuale di O2,
sulle ordinate il contenuto percentuale di CO2; le rette del
CO sono parallele all’ipotenusa, tracciata tra il punto 21%
di contenuto massimo di ossigeno e la percentuale
massima di CO2 per il combustibile in esame.
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PERDITE E RENDIMENTO DI COMBUSTIONE
Nella combustione completa si sviluppa una quantità di calore pari al
potere calorifico del combustibile.
Tale quantità non viene però trasferita interamente al fluido
termovettore dell’impianto a causa delle perdite per:
• calore sensibile nei prodotti della combustione,
• calore per il vapore formatosi nella combustione,
• calore di riscaldamento del vapor d’acqua presente nell’aria
comburente,
• per incombusti,
• per carbonio non bruciato e rimasto nelle ceneri,
• per fenomeni di irraggiamento e convezione dalle pareti della caldaia
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PERDITE E RENDIMENTO DI COMBUSTIONE
Le perdite più significative sono quelle al camino attraverso i fumi.
Esse sono tanto maggiori quanto maggiore è la temperatura e la
quantità dei fumi (e dunque l’eccesso d’aria).
La perdita percentuale per calore sensibile Qs% si calcola con
sufficiente approssimazione con la formula di Hassenstein:
Qs% = ks x (tf – ta) / CO2
dove:
tf = temperatura di uscita dei fumi
ta = temperatura dell’aria comburente
CO2 = percentuale in volume dell’anidride carbonica contenuta nei fumi
Ks = costante di Hassenstein
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PERDITE E RENDIMENTO DI COMBUSTIONE
Il rapporto tra il calore effettivamente
assorbito dal fluido termovettore e quello
sviluppabile teoricamente dalla combustione
si definisce rendimento di combustione.
η = 100 - Qs% = 100 - ks x (tf – ta) / CO2
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EMISSIONI INQUINANTI
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FABBISOGNO
DI ENERGIA PRIMARIA
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UNI/TS 11300-2
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PRESTAZIONE
ENERGETICA
Prestazione energetica globale: EPg
Esprime il valore del fabbisogno annuo di energia primaria per:
1) climatizzazione invernale;
2) climatizzazione estiva (valutazione qualitativa);
3) produzione di acqua calda per usi sanitari;
4) illuminazione artificiale, ove applicabile.
E’ espressa in:
• kWh/m2 anno, per unità di superficie utile (edifici in classe E1, esclusi collegi, conventi,
case di pena e caserme)
• kWh/m3 anno per tutti gli altri tipi di edifici
USO STANDARD
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PRESTAZIONE
ENERGETICA
Prestazioni parziali:
1) Climatizzazione invernale
EPi;
2) Climatizzazione estiva
EPe;
3) Produzione di acqua calda per usi sanitari
EPacs;
4)Illuminazione artificiale, ove applicabile
EPill
EPgl = EPi + EPacs + Epe + EPill
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D.M. 26.06.2009
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PRESTAZIONE
ENERGETICA
Nuove norme
(Involucro)
UNI EN 13790/2008 Prestazione energetica degli edifici Calcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento e il
raffrescamento
UNI/TS 11300–1 Prestazioni energetiche degli edifici –
Parte 1: Determinazione del fabbisogno di energia termica
dell’edificio per la climatizzazione estiva ed invernale
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PRESTAZIONE
ENERGETICA
Nuove norme
(Impianto)
UNI/TS 11300–2 (*),(**)- Prestazioni energetiche degli edifici – Parte 2: Determinazione del
fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale e per la
produzione di acqua calda sanitaria
UNI/TS 11300 – 3 Prestazioni energetiche degli edifici – Parte 3: Determinazione del fabbisogno di
energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione estiva
UNI EN 15316-1/2008 - Impianti di riscaldamento degli edifici - Metodo per il calcolo dei requisiti
energetici e dei rendimenti dell'impianto - Parte 1: Generalità
UNI EN 15316-2-1/2008- Impianti di riscaldamento degli edifici - Metodo per il calcolo dei requisiti
energetici e dei rendimenti dell'impianto - Parte 2-1: Sistemi di emissione del calore negli ambienti
UNI EN 15316-2-3/008 - Impianti di riscaldamento degli edifici - Metodo per il calcolo dei requisiti
energetici e dei rendimenti dell'impianto - Parte 2-3: Sistemi di distribuzione del calore negli
ambienti
(*) unitamente alla UNI EN 15316-2-3/2008, sostituisce la UNI 10347/1993
(**) unitamente alla UNI EN 15316-1/2008 e alla UNI EN 15316-2-1/2008, sostituisce la UNI
10348/1993
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PRESTAZIONE
ENERGETICA
Norme in fase di emanazione
UNI/TS 11300-4 Prestazioni energetiche degli edifici – Parte 4: Utilizzo
di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per
riscaldamento di ambienti e preparazione acqua calda sanitaria
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FEP
Fabbisogno annuo di energia primaria per la
climatizzazione invernale
è la quantità di
energia primaria globalmente richiesta, nel
corso di un anno, per mantenere negli ambienti
riscaldati la temperatura di progetto, in regime di
attivazione continuo.
(allegato A c. 11 D.lgs 311/06)
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FABBISOGNO DI ENERGIA PRIMARIA PER
RISCALDAMENTO INVERNALE
PROCEDURA DI CALCOLO
Il calcolo del fabbisogno di energia primaria si effettua
partendo dal fabbisogno di energia termica utile
dell’edificio, sommando progressivamente le perdite
dei vari sottosistemi al netto dei recuperi sino a
giungere al fabbisogno del sottosistema di
generazione.
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FABBISOGNO DI ENERGIA PRIMARIA (FEP)
Energia primaria richiesta per la conversione in calore nel generatore
Energia primaria richiesta per il funzionamento degli ausiliari
Q
Qc
Qe
Q = Qc + Qe
ηg =
Qh
Q
Periodo di calcolo
Stagione di riscaldamento : il calcolo deve essere eseguito suddividendo
il periodo totale in intervalli elementari di durata massima mensile
Con il metodo di calcolo semplificato, si assume come periodo di calcolo
la stagione di riscaldamento per la climatizzazione invernale e l'anno per
l'acqua calda sanitaria.
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Gli impianti si considerano suddivisi nei seguenti sottosistemi:
Impianti di riscaldamento
- sottosistema di emissione
- sottosistema di regolazione dell’emissione di calore in ambiente
- sottosistema di distribuzione
-sottosistema di generazione
-Impianti di acqua calda sanitaria
- sottosistema di erogazione
- sottosistema di distribuzione
- eventuale sottosistema di accumulo
- sottosistema di generazione
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CERTIFICAZIONE ENERGETICA
PROCEDURA SEMPLIFICATA
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CERTIFICAZIONE ENERGETICA
PROCEDURA SEMPLIFICATA
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GRAZIE PER LA CORTESE ATTENZIONE
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