EE Termica - ENEA (Bologna)

Corso di formazione ed aggiornamento professionale
per Energy Managers-Trenitalia
BOLOGNA
15-16 Giugno 2011
E
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G
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co
n
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N
.
g
n
D
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EE
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U
ENEA
IL CONTROLLO DELLA COMBUSTIONE
Il primo passo, propedeutico per una
qualunque diagnosi energetica, è la
determinazione dell’efficienza con cui viene
prodotta potenza termica utile.
Il concetto si traduce nel determinare
l’efficienza di combustione dei generatori di
calore presenti, e verificarne la correttezza.
LA COMBUSTIONE
La combustione è una reazione
ossidazione caratterizzata da:
chimica
di
 sviluppo di calore (la reazione è esotermica)
 grande velocità di reazione
 sviluppo in fase gassosa
Affinché possa svilupparsi,
necessita della presenza di:
la
combustione
 un combustibile
 un comburente
 un innesco che porti localmente ad elevata
temperatura i reagenti
Generatore di calore
Gfluido, hout
Gfluido, hin
Gfluido = portata in massa
del fluido riscaldato
hfluido out
hfluido in = entalpie del fluido
in ingresso-uscita
dal generatore
Gcomb= portata in massa di
combustibile
PCI = potere calorifico
inferiore del
combustibile
Gcomb, PCI
L’efficienza del generatore di calore è definita
dalla seguente espressione:
Energia fornita al fluido di lavoro
Efficienza =
Energia fornita con il combustibile
!
L’equazione operativa conseguente è:
G fluido " (hfluido out - hfluido in )
Efficienza =
G combustibile " PCI
!
G fluido " (hfluido out - hfluido in )
L’equazione: Efficienza =
G combustibile " PCI
necessita di diverse misure (portate, temperature,
pressioni dei diversi fluidi).
!
Nella pratica, si utilizza una differente equazione che
tiene in conto tutte le perdite di calore:
Efficienza = 100 – (%perdite)
Per poterla utilizzare, devono essere conteggiate
TUTTE le forme di perdite.
Le PERDITE DI CALORE sono energia che non viene
trasferita al fluido di lavoro per incrementarne il
contenuto energetico, ma che viene onerosamente
dissipata nell’ambiente.
Perdite nei generatori di calore
In un generatore di calore hanno luogo tre tipi di
perdite:
Q1 = PERDITE NEI FUMI
Q2 = PERDITE PER INCOMBUSTI
Q3 = PERDITE PER IRRAGGIAMENTO
Altri tipi di perdite (per attacca-stacca, per effetto
camino allo spegnimento, spurghi, ecc...) sono di
minor importanza.
Bilancio termico di un generatore di calore
Calore al
processo
Calore sensibile
nei gas
Calore per
incombusti
Calore nel
combustibile
Altri tipi di
perdite
Calore per
irraggiamento
Calore
nell’aria
preriscaldata
1) PERDITE NEI FUMI
• Le perdite nei fumi sono spesso la causa primaria di
una ridotta efficienza di combustione.
• Energia viene dissipata allorché un fumo viene
scaricato dal generatore al camino.
• La perdita è funzione della portata di aria che
attraversa il generatore e della temperatura a cui il
gas viene scaricato:
Q1 = c f " G f " (Tf # Ta ) [kW ]
In cui:
- cf , Gf , Tf sono rispettivamente calore specifico,
portata e temperatura di rilascio del gas
- Ta !
è la temperatura ambiente
1) PERDITE NEI FUMI
E’ PIU’ PRATICO ESPRIMERE LE PERDITE COME
PERCENTUALE DELL’ENERGIA NEL COMBUSTIBILE
ADOTTANDO LA SEGUENTE FORMULA:
Tf " Ta
Q1 = K s
CO2
[%]
- Ks = Costante di Hassenstein (funzione del
contenuto di CO2 nei fumi e del tipo di
!
combustibile)
!
- CO2 = Percentuale di Biossido di Carbonio in
volume nei fumi
1) PERDITE NEI FUMI
Tf " Ta
Q1 = K s
[%]
CO2
Valori della costante di Hassenstein Ks
!2
CO
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Metano
0,418
0,427
0,437
0,447
0,457
0,466
0,476
0,486
Combustibile
Gasolio
O.C.
0,523
0,543
0,530
0,550
0,536
0,556
0,543
0,563
0,550
0,570
0,557
0,576
0,564
0,583
0,571
0,590
0,578
0,596
0,585
0,603
0,592
0,610
Carbone
0,683
0,684
0,685
0,686
0,687
0,688
0,689
0,690
0,691
0,692
0,693
0,694
0,695
1) PERDITE NEI FUMI
LA FORMULA:
Tf " Ta
Q1 = K s
CO2
[%]
deriva dallo sviluppo della definizione di una perdita
percentuale.
!
! per es. della combustione del metano,
Nel caso
questo originerebbe:
$
'
11,6
c f &9,6 #
+1)
c f G f (T f " Ta )
[CO2 ] (
%
Q1 =
=
(Tf " Ta )
Gcomb PCI
1# PCI
1) PERDITE NEI FUMI
Esercizio
Valutare le perdite per calore sensibile nei fumi per
combustione di gasolio, nelle seguenti condizioni:
CO2 misurata nei gas
13,0 %
Temperatura ambiente 20 °C
Temperatura dei gas
230 °C
Tf " Ta
230 " 20
Q1 = K s
= 0.585
= 9.45 [%]
CO2
13
!
!
1) PERDITE NEI FUMI
DOSAGGIO DELL’ARIA COMBURENTE
L’Eccesso d’Aria è un’espressione che indica quanta
aria in più viene utilizzata rispetto a quanto
strettamente necessario.
Se:
Vr = Volume di aria reale
Vt = Volume di aria teorico (stechiometrico)
Vr
Vr " Vt
Eccesso d'aria E(%) =
#100 Indice d'aria n = "100
Vt
Vt
E
n = 1+
100
Se l’indice d’aria è: n = !
1.34 l’eccesso d’aria è: E = 34%
!
1) PERDITE NEI FUMI
DOSAGGIO DELL’ARIA COMBURENTE
Misurando i parametri della combustione, si può
determinare l’eccesso d’aria con le seguenti equazioni
della combustione:
1
n=
1" 0,048 O2 + 0,014 CO
[CO2 ] max
n=
[CO2 ]
 Elevato eccesso d’aria: elevate perdite nei fumi
!
 Insufficiente eccesso d’aria:
! presenza di incombusti nei
fumi
1) PERDITE NEI FUMI
Per es., per la combustione del metano si ha la
seguente relazione tra CO2 nei fumi ed indice
d’aria:
Da una misura della CO2 nei fumi è immediato
ricavare l’indice d’aria.
1) PERDITE NEI FUMI
• L’eccesso d’aria deve essere fissato al valore ottimale regolando
la portata d’aria in proporzione alla portata di combustibile.
• La misura automatica dell’ossigeno nel gas esausti comanda
normalmente un servomeccanismo che pilota la serranda di
ammissione dell’aria sul bruciatore.
• In funzione della velocità con cui fluttua la richiesta di calore,
l’eccesso d’aria è controllato automatica- o manual-mente.
• Allorché l’eccesso d’aria viene ridotto, si possono formare
incombusti (es. CO o particolato) che possono eccedere i limiti di
emissione.
• Ciò limita la possibilità di aumentare l’efficienza energetica
diminuendo l’eccesso d’aria.
1) PERDITE NEI FUMI
La
portata
Particolato
dei
gasnei
e CO
esausti
gas esausti
aumenta, e
con essa le
perdite

 Aria
Combustibile
1) PERDITE NEI FUMI
ULTERIORI CAUSE DI PERDITE
E’ POSSIBILE RISCONTRARE INCOMBUSTI CON UN
BRUCIATORE IMPOSTATO CORRETTAMENTE ED
ANCHE CON ELEVATO ECCESSO D’ARIA
POSSIBILI CAUSE
 NON CORRETTA GEOMETRIA DELLA FIAMMA
 OSTRUZIONE O USURA DEGLI UGELLI
VERIFICARE INOLTRE LO STATO DELL’ISOLAMENTO
NEL MANTELLO
1) PERDITE NEI FUMI
DOSAGGIO DELL’ARIA COMBURENTE:
COMPOSIZIONE DEI GAS ESAUSTI
4 regimi di combustione:
1) stechiometrico
si: CO2, H2O, N2, SO2
no: O2, combustibile, CO
2) in eccesso d’aria si: CO2, H2O, N2, SO2, O2
no: comb., CO
3) in difetto d’aria
si: CO2, H2O, N2, SO2, combustibile, CO
no: O2
4) incompleto
si: CO2, H2O, N2, SO2, O2, combustibile, CO
no: _ _ _ _
1) PERDITE NEI FUMI
EFFETTO DELLA TEMPERATURA DEI FUMI
(
Le perdite nei fumi sono date da: Q1 = c f " G f " Tf # Ta
Tfumi
S
K
!
Pt = K S ΔT
Tacqua
)
1) PERDITE NEI FUMI
SE LA POTENZA TERMICA SCAMBIATA È:
K S ΔT
...LE CAUSE DI UNA ELEVATA Tf SONO:
•LO SPORCAMENTO DELLE SUPERFICI DI SCAMBIO
TERMICO (LATO FUMI E/O LATO ACQUA)
•IL NON CORRETTO ACCOPPIAMENTO
BRUCIATORE-CALDAIA (BRUCIATORE TROPPO
POTENTE)
SE LA Tf NON PUÒ ESSERE DIMINUITA (ES. CALDAIE
AD OLIO DIATERMICO) IL CALORE DEI FUMI PUÒ
PRERISCALDARE L'ARIA COMBURENTE
1) PERDITE NEI FUMI
Se i fattori K e S sono bassi, si possono adottare
diverse strategie:
K: pulendo le superfici di scambio progressivamente ricoperte da
incrostazioni carboniose (lato fumi) o da calcare (lato acqua),
allo scopo di mantenere un’alta efficienza di scambio
K: incrementando il trasferimento di calore aumentando la
trasmittanza (per es. installando turbolatori, o altri dispositivi
che aumentano la turbolenza dei fluidi che si scambiano
calore)
S: verificando che l’offerta di calore non ecceda la domanda. Ciò
si controlla pre es. diminuendo la potenza del bruciatore (es.
installando un ugello meno potente (per combustibili liquidi), o
diminuendo la pressione di ammissione (per combustibili
gassosi)
S: aumentando o migliorando le superfici di scambio (difficoltoso
da realizzarsi su generatori esistenti)
TURBOLATORI
PER IL MIGLIORAMENTO DELLA TRASMITTANZA IN CALDAIE A
TUBI DI FUMO
La potenza termica fornita è: Q = K !S !(Tfumi " Tacqua)
K dipende anche dalla turbolenza dei gas all’interno
dei tubi
1) PERDITE NEI FUMI
Scheme of a combustion system with an air pre heater-APH
Effetti Cross-media
 Lo scambiatore recuperativo richiede in genere molto spazio
 Il ventilatore del bruciatore dovrà sopportare una maggior caduta di
pressione
 L’alimento di aria preriscaldata al bruciatore, che occupa maggior
volume, può causare problemi di stabilità della fiamma
 In generale, per ogni 20 °C di abbassamento della temperatura dei
gas esausti si può recuperare 1% di efficienza
1) PERDITE NEI FUMI
EFFETTO DI BASSA TEMPERATURA DEI FUMI
(
Le perdite nei fumi sono date da: Q1 = c f " G f " Tf # Ta
)
La formula mostra che per  perdite ed  efficienza,
la Tf dovrebbe essere la più  possibile.
ugello di minor portata!
diminuire l’ammissione di combustibile al bruciatore
(es. diminuendo la pressione di alimentazione).
effetto benefico sull’efficienza
una temperatura dei fumi troppo bassa può dare
gravi problemi di corrosione se il vapor d’acqua
condensa su parti metalliche del generatore.
1) PERDITE NEI FUMI
EFFETTO DI BASSA TEMPERATURA DEI FUMI
Tracce di zolfo presenti nel combustibile bruciano
originando SO2. Questa, in presenza di particolari
catalizzatori, ossida ulteriormente ad SO3 la quale, in
presenza di vapor d’acqua, condensa ad acido
solforico.
Questo provoca la corrosione di componenti del
generatore (di preferenza i condotti dei fumi ed i
preriscaldatori d’aria), costruiti in acciaio al carbonio.
L’uso di acciaio inossidabile o altre leghe è
obbligatorio se si vogliono evitare simili problemi (es.
caldaie a condensazione)
1) PERDITE NEI FUMI
Determinazione del Punto di Rugiada acido per gasolio
X
2) PERDITE PER INCOMBUSTI
Quando al bruciatore si rende disponibile meno aria
comburente (e quindi Ossigeno) di quanta necessaria
per una completa ossidazione, parte del carbonio nel
combustibile non partecipa alla combustione.
Una combustione incompleta è segnalata dalla
presenza di CO e di particolato carbonioso nei fumi
(per combustibili liquidi e solidi).
Se non viene aumentata l’aria di combustione, una
quota di energia viene dissipata sotto forma di CO
caldo (suscettibile di ulteriore combustione) e/o
particelle incombuste.
2) PERDITE PER INCOMBUSTI
Le perdite per incombusti possono essere calcolate
tramite l’equazione della combustione:
CO
Q2 = Kc
CO2 + CO
[%]
CO, CO2 = Percentuale in volume di mono-biossido di
Carbonio nei fumi !
!
Kc = costante funzione del tipo di combustibile:
Kc
Gasolio
Carbone
Metano
50,5
59
37,9
2) PERDITE PER INCOMBUSTI
Esercizio
In una combustione di metano, l’analisi dei fumi
fornisce i seguenti valori:
CO2=9%
CO=1%
Valutare le perdite per incombusti.
CO
La formula: Q2 = Kc
CO2 + CO
1
fornisce: Q2 = 37.9
=3.79%
9+1
ANALISI DELLA COMBUSTIONE
PER DETERMINARE:
- l’eccesso d’aria
(misurando O2 e/o CO2)
- presenza di incombusti
- temperatura dei fumi
PER CONOSCERE
- l’efficienza di
combustione
ANALISI DELLA COMBUSTIONE
Valori ottimali dei diversi parametri per diversi
combustibili:
METANO
GASOLIO
100-130
140-160
CO2(%)
9,7-10,5
12-14
O2 (%)
1,1-3
1,1-4
5-20
5-25
0
0-1
11,5
15
T. fumi(°C)
Eccesso d'aria(%)
Indice Bacharach
CO2,MAX(%)
Esercizio
Commentare i seguenti valori rilevati durante
un’analisi dei fumi (reale). Combustibile: metano
Caldaia 1 Caldaia 2
H2O calda
Vapore
T. aria (°C)
30
20
T. fumi (°C)
110
230
10,4
9,4
98
81
5,9
6,5
CO (ppm)
87
13
Rendimento (%)
94
87,7
6
12,3
Fluido termovettore
O2 (%)
Eccesso d'aria (%)
CO2 (%)
Perdite (%)
3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO
• Le perdite per irraggiamente consistono nelle perdite
radiative e per convezione da parte del mantello del
generatore, che si trova sempre a temperatura
superiore a quella dell’ambiente.
• Simili perdite non variano significativamente al variare
del carico termico: il mantello resta quasi sempre alla
stessa temperatura durante il servizio.
• Tuttavia, l’incidenza di simili perdite percentualmente
aumenta al diminuire del carico.
• Teoricamente, non ci sarebbero difficoltà nel calcolare
queste perdite tramite le formule dello scambio
termico. Tuttavia è più pratico utilizzare tabelle o
diagrammi basati su dati sperimentali.
3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO
generatore 30 MW
perdite radiative = 0.9%
carico: 20 MW
3) PERDITE PER IRRAGGIAMENTO
Tabella tratta da norma UNI 10348
q3: perdita percentuale per irraggiamento attraverso il mantello
Pn: potenza nominale al focolare del generatore, in kW
Stato del generatore
Ottimo, ad elevato rendimento
Ottimo
Obsoleto, mediamente coibentato
Obsoleto, male coibentato
Obsoleto, privo di coibentazione
q3 (%)
1,72 - 0,44 · log Pn
3,45 - 0,88 · log Pn
6,90 - 1,76 · log Pn
8,63 - 2,20 · log Pn
10,35 - 2,64 · log Pn
Energy Management
Risparmio di energia termica
Nino Di Franco
ENEA UTEE-IND
Corso di formazione ed aggiornamento
professionale per Energy Managers-Trenitalia
BOLOGNA, 15-16 Giugno 2011