Canne Fumarie.com

L'effetto camino, prende origine dal fenomeno fisico generale dalla dilatazione dei gas in funzione del riscaldamento della loro temperatura assoluta. Se consideriamo due colonne, (figura 1) di altezza H sottoposte all'azione della gravità espressa dall'accelerazione (g) e queste due colonne contengano due fluidi di cui uno con densità maggiore (ra) e uno di densità minore (rf), se sono separate tra loro a causa di un setto di separazione che impedisce ai due fluidi di muoversi, si attua una condizione statica.

La condizione statica non è realistica per il funzionamento di un camino ma ne costituisce il presupposto. La colonna fredda (illustrata nella figura 1 con il colore blu) è più pesante della colonna calda (colore giallo) e quindi esercita a sinistra del setto una pressione maggiore che si vede testimoniata dallo spostamento del fluido manometrico: risulta una differenza di pressione statica (dpst) pari all'accelerazione di gravità (g) per l'altezza delle colonne (H) per la loro differenza di densità (ra - rf ). La distribuzione delle due pressioni in verticale è diversa nelle due colonne fluide, perché naturalmente la variazione di pressione è più forte dove c'è il fluido più freddo e più denso (linea a). Nel linguaggio dei camini, questa differenza di pressione viene chiamata tiraggio statico: è il riferimento più utile per capire il funzionamento dei camini, perlomeno nelle sue caratteristiche essenziali.

 

Se si toglie il setto (figura 2) la colonna pesante prevale su quella leggera, il fluido freddo di colore blu scende ed il fluido caldo di colore giallo sale. Il fluido si mette in movimento e la circolazione continua se permane la causa che rende il fluido più caldo (giallo) come un generatore di calore. Se nella zona superiore permane la causa che permette di passare da fluido caldo a fluido freddo, cioè se siamo nell'atmosfera che ha una capacità termica sufficiente per far sì che pur scaricando il fumo caldo in un punto, in un altro non troppo lontano ci sia aria fresca. Se sono realizzate queste due condizioni, si può raggiungere una condizione di moto in regime permanente, cioè questo moto va avanti indefinitamente e si constata che alla base della colonna calda c'è una depressione indicata in (figura 2) dalla colonna monometrica.

Questa depressione (dp) è più piccola del tiraggio statico e costituisce il cosiddetto tiraggio del camino, quello di cui si ha la prova più evidente quando alla base del camino si accosta un fiammifero e si vede che il camino "tira" al suo interno la fiammella. Il tiraggio statico (dpst) non si tramuta tutto in tiraggio del camino, ma in parte serve a vincere le resistenze al moto (prc) proprie del camino. Si capisce quindi che per avere da un dato camino il miglior tiraggio possibile quando ne sia fissata l'altezza, bisogna per esempio che questo camino sia pulito, perché se è sporco e la sua sezione è ostruita la resistenza al moto sale. Bisogna che sia ben isolato perché se disperde calore la sua temperatura media scende e quindi l'azione motrice statica scende. Riconducendosi all'interpretazione generale si vede una puntuale verifica di tutti i provvedimenti tecnici che vengono comunemente suggeriti agli operatori del campo. Tutto è deducibile in base alla trattazione generale e al comune buon senso: bisogna però rendersi conto di questo funzionamento tipico per differenza di densità. Visto che il tiraggio (dp) è la differenza tra l'azione statica (dpst) e l'azione alla resistenza (prc) ed essendo facilmente comprensibile che l'azione delle resistenza proprie del camino è proporzionale al quadrato della portata (m) che passa nel camino in quanto è proporzionale al quadrato della velocità, si capisce che la resistenza che il camino offre al moto possa essere espressa mediante il coefficiente di resistenza concentrata (bc) cioè il coefficiente di resistenza proprio del camino.

Riportando su un diagramma (figura 3) la pressione in ordinata e la portata di massa in ascisse si vede subito che la differenza di pressione statica è indipendente dalla portata mentre il contributo delle resistenze per attrito del camino (curva illustrata di colore rosso) è tipicamente una funzione quadratica della portata (prc). Se dalla prima si sottrae la seconda si ha il tiraggio del camino e la curva di colore azzurro che lo rappresenta assomiglia moltissimo alla curva caratteristica di un ventilatore. Quindi in camino assicura senza organi in movimento l'azione aspirante che è anche ottenibile mediante un ventilatore con apporto di energia meccanica dall'esterno. Ecco perché una volta quando non esistevano macchine operatrici o soprattutto non era disponibile l'energia elettrica per azionarle ci si affidava prevalentemente a questa azione aspirante statica e quindi si facevano camini molto alti. La necessità di questa azione aspirante
è sempre meno sentita è il ruolo dei camini è soprattutto quello di portare i prodotti della combustione ad una quota tale dal suolo od altri ostacoli affinché si disperdano nell'atmosfera. Rimane tuttavia l'azione aspirante dei camini che a volte è imprevista ed eccessiva ed obbliga a ridurre il tiraggio.

(fonte: Prof. Paolo Anglesio - Ordinario di fisica tecnica - Politecnico di Torino)

Indice della Pagina

• INTRODUZIONE - SCHEMI CINETICI O MOLECOLARI (STECHIOMETRICI)
• PROCESSO DI COMBUSTIONE
• STECHIOMEATRIA DELLA COMBUSTIONE
• COSTANTI DEI GAS
• L'ECCESSO D'ARIA
• TEMPERATURA TEORICA
• POTERE CALORIFICO
• PUNTO DI RUGIADA
• NUMERO DI FUMO (SCALA DI BACARACH)
• RENDIMENTO DELLA COMBUSTIONE
• CALDAIE A COMBUSTIONE
• GLI NOx
• OTTIMIZZAZIONE DELLA COMBUSTIONE
• REGOLAZIONE DELLA COMBUSTIONE

Introduzione - Schemi cinetici o molecolari (stechiometrici)

La combustione è il fenomeno caratteristico nell'utilizzo dei combustibili fossili per la produzione di energia. Alla sua importanza dal punto di vista energetico, si aggiunge quella in campo ambientale: la quasi totalità delle sostanze inquinanti come la CO2, SOX e NOX vengono, infatti, prodotti nella fase di combustione.
Tramite la comprensione di questo processo, e quindi l'azione sui parametri che la governano, è possibile un controllo dello stesso che consenta il raggiungimento di maggiore efficienza e riduzione della produzione di inquinanti.
La combustione è peraltro un fenomeno molto complesso che richiede, per il suo studio, un approccio multidisciplinare essendo in essa presenti, contemporaneamente, processi termici, fluidodinamici e chimici.

Le reazioni di combustione sono per lo più assai complesse, specialmente nel caso di combustibili gassosi, perché generalmente costituite da numerose catene di reazioni di norma ramificate con meccanismi chimici difficilmente individuabili con certezza. Inoltre sono condizionate da un gran numero di parametri, come pressione, composizione della miscela gassosa, forma e dimensioni del bruciatore.
Un strumento molto valido e largamente usato nell'analisi dei sistemi di combustione, sono gli schemi cinetici.
Uno schema cinetico complesso è costituito da una rete di reazioni e dai dati relativi a parametri cinetici in grado di simulare la dinamica di un sistema chimico.

Esistono due diverse famiglie di schemi cinetici: vi sono quelli cosiddetti molecolari (o stechiometrici) che considerano le reazioni globali tra le molecole, e quelli meccanicistici che esaminano in maggiore dettaglio i diversi atti elementari tra le molecole e i radicali.

Un modello cinetico molecolare viene impiegato qualora si vogliono effettuare analisi macroscopiche del fenomeno: esso quindi è caratterizzato da una formulazione più semplice e rapida in termini di sviluppo e di calcolo, e ne rappresenta il principale svantaggio, soprattutto per quanto riguarda le possibilità di estrapolabilità alle più diverse condizioni operative.

Si opta invece per un modello meccanicistico laddove è necessario interpretare in profondità ciò che avviene in realtà, coinvolgendo in questo modo lo studio degli atti elementari di reazione e, grazie alla sua complessità, garantisce ampia estrapolabilità e considerevole flessibilità.

Schemi cinetici meccanicisti cercano di considerare tutte le reazioni cineticamente semplici, o meglio tutte quelle ritenute significative.
Un meccanismo cinetico di questo tipo comprende tutte le specie chimiche che influenzano un dato fenomeno di combustione insieme alle reazioni elementari fra queste.

Così per la costruzione di uno schema cinetico di interesse applicativo si devono individuare le reazioni che hanno luogo e che influenzano il processo globale di combustione.
L'ossidazione di un combustibile idrocarburico consiste nella successiva frammentazione della molecola iniziale per formare specie intermedie che sono poi convertite nei prodotti finali, H2O e CO2, se la combustione è completa.
In molti casi i prodotti intermedi possono essere combustibili essi stessi.

Per esempio l'etilene (C2H4) e l'etano (C2H6), importanti intermedi nella combustione di molti idrocarburi, possono essere anche come combustibile. Il monossido di carbonio (CO) e l'idrogeno (H2) sono specie che sono osservate in tutti i processi di ossidazione di qualsiasi idrocarburo, così come le specie radicaliche H, OH, O, HO2, HCO.

Le applicazioni di modelli cinetici sono molteplici e vanno da analisi di processo a valutazione dell'impatto ambientale nei processi di combustione

Processo di combustione

Con la denominazione di combustione si indica una classe particolare di reazioni di ossidazione caratterizzate dalla presenza di ossigeno gassoso (O2) o di specie chimiche di natura ossidante che possono liberare ossigeno o che esplicano una funzione analoga di agente ossidante (ad esempio nitrati, nitriti, ozono, perclorati, clorati, permanganati, cromati, ioni metallici ad alti stati di ossidazione, perossidi, ossidi). Questi ossidanti in presenza di sostanze riducenti possono dare origine in particolari condizioni ad una vigorosa reazione di ossidazione con produzione di sottoprodotti gassosi o finemente suddivise (prodotti gassosi della combustione o fumi) ed emissione di calore e di radiazione elettromagnetica (fiamma). Questa reazione viene identificata nella COMBUSTIONE.

L'agente ossidante viene chiamato COMBURENTE (comunemente Ossigeno, Aria) mentre l'agente riducente viene chiamato COMBUSTIBILE (di solito Petrolio, Benzina, Gasolio, Olio Combustibile, Carbone, Legno, Metano, Propano, Butano). Affinché la combustione avvenga occorre che entrambi i reagenti si trovino allo STATO GASSOSO al momento della reazione. Questo comporta che, se il combustibile od il comburente si trovano allo stato solido o liquido, avvenga una precedente trasformazione fisica in grado di portare i reagenti allo stato gassoso; ad esempio un riscaldamento o un abbassamento di pressione possono provocare la parziale evaporazione dei più comuni combustibili idrocarburici che in questo modo sono in grado di reagire con l'ossigeno dell'aria. La reazione di combustione è di natura radicalica, cioè avviene per generazione, propagazione e distruzione dei radicali. Questi sono specie chimiche caratterizzate dalla presenza di almeno un elettrone non appaiato con un altro elettrone e quindi con un'orbitale non totalmente occupato. Questo rende il radicale altamente reattivo, poiché tenderà ad acquisire l'elettrone mancante ed abbassare la propria energia a spese delle molecole dell'ambiente circostante e quindi a generare altri radicali che, tramite una propagazione "a catena", a loro volta genereranno radicali fino a che le condizioni di temperatura, pressione e presenza di reagenti lo consentiranno.

I passaggi reattivi che portano alla combustione sono essenzialmente tre:

1. Innesco iniziale con scissione delle molecole iniziali e formazione dei primi radicali, O· (radicale dell'ossidante), R· (radicale del riducente)

O2 -> 2 O·

R-R -> 2 R·

2. Propagazione dei radicali (reazione a catena)

O· + O2 -> O2 + O·

O· + R2 -> RO + R·

3. Terminazione della catena (incontro di due radicali)

O· + O· -> O2

O· + R· -> RO

R· + R· -> R2

I primi due processi tendono a fare proseguire la combustione, mentre il terzo tende ad estinguerla. Oltre a questi ce ne sono altri che tendono a formare altre specie neutre o cariche elettricamente che contribuiscono al processo totale nelle sue manifestazioni.

Generalmente i prodotti di combustione in presenza di aria sono Anidride carbonica (CO2), Ossidi di Azoto (NyOx, dove i pedici y,x indicano stechiometrie variabili), Fumi (aggregati microscopici di particelle solide vaporizzate, molecole provenienti dalla non completa disgregazione delle molecole riducenti), calore ed emissione di luce.

La fiamma tipica nei più comuni fenomeni di combustione è la manifestazione dell'eccitazione degli elettroni delle specie chimiche e delle particelle (solitamente Sodio e Carbonio) coinvolte nel processo a seguito di riscaldamento dovuto al calore liberato nella combustione. Questi elettroni vengono eccitati a stati di energia maggiori e poi ritornano allo stato iniziale liberando energia sotto forma di radiazione elettromagnetica che l'occhio umano percepisce come luce.

Perché una combustione sia autosostenuta una volta innescata, occorre che il calore generato sia sufficiente per fare vaporizzare continuamente combustibile e comburente. In caso contrario la reazione si autoestingue come avviene per la cera delle candele che brucia, ma non è combustibile alle temperature ordinarie; infatti la candela utilizza uno stoppino che serve ad aumentare la superfice di reazione e consentire la continua vaporizzazione della cera. Anche alcool etilico incendiato tende ad autoestinguersi; tuttavia se viene preriscaldato (in questo modo si aumenta la sua tendenza a vaporizzare) la reazione di combustione procede più a lungo.

La combustione di tutte le sostanze/elementi è analoga a quella in presenza di ossigeno e combustibili tenendo conto della definizione più generale di ossidazione.

Stechiometria della combustione

Le reazioni di combustione sono le seguenti:

[1] C + O2 = CO2 + 33910 kj/kg

[2] 2 H2 + O2 = 2 H2O +143000 kj/kg

[3] S + O2 = SO2 + 8800 kj/kg

Il carbonio per difetto d'ossigeno da luogo alla seguente reazione con formazione di monossido di carbonio, velenoso per l'uomo.

2 C + O2 = CO2 + 10200 kj/kg

Poiché i pesi atomici delle sostanze sono:

C =12 O =16 N =14 S =32 H = 1

Nella reazione[1] intervengono le seguenti masse, scritte sotto i relativi componenti:

C + O2 = CO2

pesi sostanze 12 + 32 = 44

L'ossigeno necessario per bruciare 1 kg di carbonio e' 32/12 kg, mentre la CO2 prodotta dalla combustione di un kg di carbonio e' 44/12 kg. Poiché il rapporto fra aria ed ossigeno nell'atmosfera e', in peso, 4,31,l'aria necessaria per bruciare 1 kg di carbonio e':

4,31x32/12=11,493 kg

Analogamente nella reazione [2] intervengono le seguenti masse:

2 H2 + O2 = 2 H2O

pesi sostanze 4 + 32 = 36

L'ossigeno necessario per bruciare 1 kg di idrogeno e' 32/4 kg ,mentre la H2O prodotta dalla combustione di un kg di idrogeno e' 36/4 kg. L'aria necessaria per bruciare 1 kg di idrogeno e' quindi:

4,31x32/4=34,48 kg

Analogamente nella reazione [3] :

S + O2 = SO2

pesi sostanze 32 + 32 = 64

L'ossigeno necessario per bruciare 1 kg di zolfo e' 32/32 kg ,mentre la SO2 prodotta dalla combustione di un kg di zolfo e' 64/32 kg. L'aria necessaria per bruciare 1 kg di zolfo e' quindi:

4,31x32/32=4,31 kg

Chiamando C%,H%,S%,Ocomb% le parti in peso in un kg di combustibile dei relativi componenti , si puo' scrivere che l'ossigeno teorico e':

Oteorico= 2,667x C%+8 x H% +S% - Ocomb%

indicando con Ocomb% l'ossigeno gia' contenuto nel combustibile e che si pensa intervenga nella reazione.

Per ossigeno teorico si intende quello derivante dalle relazioni stechiometriche.

L'aria teorica e' quindi:ARIA teorica= 4,31 x O teorico

Il peso dei fumi teorici (PFT) e': PFT= Aria teorica + 1 -ceneri

Intendendo per ceneri le sostanze minerali che permangono nel focolare. Nella figura 1 viene riportato per un gas naturale di composizione tipica, il peso dei fumi al variare dell'eccesso d'aria (riferito ad un kg di sostanza combustibile). Si ricorda che il volume dei gas può essere ricavato a partire dalla massa con l'equazione di stato:

V = M x R x T / P dove :

R= costante del gas [J/(Kg K)]

M= la massa in Kg

P= la pressione assoluta del gas

T= la temperatura assoluta =temperatura in gradi centigradi+273

Ad esempio per l'aria a pressione atmosferica(P=101325 Pa) e temperatura ambiente(15°C), essendo R=287 j/(Kg K), si ha:

V = M x 287 x 288 / 101337 = 0,816 M

Nel seguito il combustibile a cui si farà riferimento sarà sempre il gas naturale, ove non altrimenti specificato.

figura 1: peso dei fumi in funzione dell'eccesso d'aria

Costanti dei gas

CO2(anidride carbonica) 189 J/(Kg K)

O2(ossigeno) 260 J/(Kg K)

H2O(vapor d'acqua) 462 J/(Kg K)

N2(azoto) 297 J/(Kg K)

L'eccesso d'aria

La combustione avviene quando il combustibile e' allo stato gassoso. Il bruciatore di combustibile liquido provvede pertanto alla nebulizzazione, a ridurre cioè il combustibile a particelle piccolissime; la particella trovandosi in camera di combustione e quindi in un ambiente ad alta temperatura, evapora. Se nel tempo di permanenza in camera di combustione la molecola di combustibile non "incontra" quella dell'ossigeno la reazione di combustione non avviene con conseguente perdita di energia, e la cosiddetta formazione di incombusti. Si e' già visto che il carbonio in difetto d'aria può reagire con l'ossigeno formando monossido di carbonio, con conseguente minor sviluppo di calore. Per far sì che la combustione avvenga in modo completo si aumenta l'aria rispetto a quella stechiometrica, e si chiama eccesso d'aria :

e = (Ap-At)/At

Si intende quindi che per eccesso d'aria uguale a zero l'aria e' uguale a quella teorica. Per aria pratica,Ap, si intende quella effettivamente partecipante alla combustione. La maggiorazione di aria fa sì che tutto il combustibile bruci, annullando o quasi la formazione di incombusti. Oltre che l'eccesso d'aria viene anche definito l'indice d'aria l definito come:

l =Ap/At

fra l'eccesso d'aria e e l'indice d'aria l c'e' la relazione:

e=l -1

figura 2: 02 ed CO2 in volume nei fumi secchi in funzione dell'eccesso d'aria

Nella figura 2 viene riportato le percentuale di CO2 ed O2 ,in volume nei fumi secchi(senza vapor d'acqua).La misura di queste grandezze ,effettuata dagli analizzatori di combustione, e' importante perche' correla l'eccesso d'aria al rendimento della combustione. E' evidente che all'aumentare dell'eccesso d'aria ,restando costante il volume di CO2 ,la percentuale di CO2 nei fumi diminuisce.

Temperatura teorica di combustione

Poiché nella combustione tutto il calore viene catturato come calore sensibile dai fumi nascente puo' essere scritta la seguente equazione ,dove TTC e' la cosiddetta temperatura teorica di combustione.

Qs= å Mi x Ci x (TTC-Ta)

dove:

Mi=masse dei gas costituenti i gas sviluppati dalla combustione

Ci=calori specifici dei gas

Ta= temperatura dell'aria d'ingresso

dove il simbolo å sta ad intendere la sommatoria estesa ai gas di combustione dei prodotti Mi x Ci x (TTC-Ta)

figura 3: temperatura teorica di combustione per gas naturale in funzione dell'eccesso d'aria

Nella figura 3 viene rappresentata la temperatura teorica di combustione :e' evidente che all'aumentare dell'eccesso d'aria la TTC si abbassa.

Potere calorifico

Il potere calorifico superiore, PCS, e' la quantità di calore sviluppata dalla reazione di combustione. Nella combustione dell'idrogeno, o di combustibili contenenti acqua allo stato liquido, si sviluppa acqua allo allo stato di vapore ;il passaggio dell'acqua dallo stato liquido allo stato di vapore comporta la "cattura" del calore latente di vaporizzazione(circa 2500kj/kg) al calore di combustione. Il calore effettivamente disponibile per lo scambio termico e' solo quello quello sensibile e viene definito PCI, potere calorifico inferiore. Solo nelle caldaie a condensazione, in cui avviene la condensazione del vapor d'acqua ,e' possibile recuperare questo calore. Tra PCS e PCI vi e' la relazione:

PCI=PCS-2500 x Mh2o [kj/kg]

dove Mh2o e' il peso di acqua formatasi in seguito alla combustione

Punto di rugiada

Se la pressione parziale del vapor d'acqua nei fumi e', alla temperatura dei fumi, uguale a quella di saturazione si ha la condensa .Questa può essere pericolosa per i combustibili che contengono zolfo, infatti fra l'acqua e l'anidride solforosa c'e' la reazione:

H2O + SO2= H2SO4

con formazione di acido solforico che è corrosivo nei confronti dell'acciaio. Nella figura 4 è riportata la temperatura di rugiada, in funzione dell'eccesso d'aria. Per evitare la condensa la temperatura dei fumi consigliabile risulta:

100 ° C per il metano

130 ° C per il gasolio

120 ° C per l'olio combustibile denso

160 ° C per l'olio combustibile fluido(3% zolfo)

170 ° C per l'olio combustibile fluido(4% zolfo)

figura 4: temperatura di rugiada in funzione dell'eccesso d'aria per alcuni combustibili

Numero di fumo (scala di bacarach)

L'incompleta combustione origina una perdita con emissione nei fumi di carbonio incombusto. Queste particelle rappresentano la fuliggine che si deposita nel condotto del camino e quindi fuoriesce nell'atmosfera conferendo ai fumi l'aspetto caratteristico nero. La misura del grado di fumosità costituisce quindi un indice dell'andamento della combustione. Un sistema diffuso per il rilevo del grado di fumosità o numero di fumo e' quello della scala di Bacharach. In pratica si utilizza una pompa come quella di figura 5 .La pompa aspira i fumi attraverso la sonda di prelievo ;i fumi passano attraverso una carta da filtro su cui si depositano le particelle carboniose. Confrontando il grado di nero della carta con una scala campione che ha 10 circoli che vanno da un grado di nero zero ad un massimo si ha la misura del numero di fumo della combustione.

Rendimento della combustione

In un generatore di calore avviene la conversione dell'energia termica prodotta dal combustibile in calore sotto forma di riscaldamento dell'acqua. Una parte dell' energia del combustibile va però persa in:

perdite per incombusti(combustione incompleta)

perdite per irraggiamento del generatore

perdite per calore sensibile nei fumi(la quota maggiore delle perdite)

Se i fumi escono al camino con temperatura T fumi il calore sensibile perso sarà:

Qs = å M C (Tfumi- Tamb)

Si definisce come rendimento h della combustione :

h =å (PCI-Qs)/PCI

dove il simbolo å ha significato identico a quanto spiegato prima. Il rendimento della combustione sarà tanto maggiore quanto minore sarà la temperatura dei fumi e quanto minore sarà l'eccesso d'aria. Nella figura 6 viene riportato il grafico del rendimento in funzione dell'eccesso d'aria.

figura 6: Rendimento della combustione in funzione dell'eccesso d'aria

Tenendo presente che gli analizzatori di combustione misurano la CO2 in percentuale nei fumi secchi, ricavando la relazione fra eccesso d'aria e CO2 percentuale e' possibile ricavare la relazione, per ogni combustibile, fra rendimento e CO2%.Il grafico del rendimento della combustione in funzione del CO2%, viene riportato nella figura 7.

figura 7: Rendimento della combustione in funzione della percentuale della CO2

Caldaie a condensazione

Nella caldaia condensazione, vi è un secondo scambiatore, prima dei camino, al cui interni circola l'acqua di ritorno dall'impianto. Il vapore d'acqua contenuto nei fumi, a contatto con la superficie fredda ,cede il calore latente di condensazione, il condensato viene raccolto nella parte inferiore e scaricato. La maggiore perdita di carico dal lato fumi, dovuta alla presenza dello scambiatore a condensazione, comporta la necessità di un ventilatore di soffiaggio dell'aria comburente.

Lo schema sottostante, evidenzia che con una combustione tradizionale, ovvero sprovvista della combustione a condensazione, partendo da un potere energetico teorico paria a 111% (riferito al P.C I.) si perde l' 11% nel calore latente presente nel vapor acqueo, e l' 8% per irraggiamento.

flusso rendimenti in una caldaia a tradizionale (senza tecnica della condensazione)

Con una combustione a condensazione, il recupero del calore latente (11%) e le ridottissime perdite al camino (2%) portano il calore utile a 109% creando un notevole vantaggio per il rendimento energetico.

flusso rendimenti in una caldaia a condensazione

Nella figura 8 viene mostrato il grafico della temperatura dei fumi e del rendimento di combustione (riferiti ai PCS) in funzione della temperatura dell'acqua dello scambiatore. Si può notare come in corrispondenza di 55'C vi sia un ginocchio nella curva del rendimento; è questa infatti la temperatura di rugiada del metano. A temperatura dell'acqua inferiore a questa la condensazione dei fumi aumenta in modo più marcato. C'è da aggiungere che la caldaia a condensazione oltre ad avere un rendimento istantaneo maggiore ha anche maggior rendimento stagionale perché minore è la circolazione di aria fredda a caldaia spenta, per le maggiori perdite di carico e la presenza dei ventilatore.

figura 8: Temperatura dei fumi e rendimento della combustione in funzione
della temperatura di ritorno dell'acqua dalla caldaia

Gli NOX

Nella reazione di combustione si ha la formazione di NO e NO2,normalmente si ha il 95% di No e 5% di NO2. Nel caso di combustibili liquidi la formazione di NOx e' legata anche all'azoto presente nel combustibile, minimo nel caso di gasolio. In particolare l'ossido di azoto può essere immediato o termico. Il primo dipende dall'ossigeno presente alla radice della fiamma, il secondo e' legato alla temperatura di fiamma elevata. Nel grafico di figura 9 e' possibile notare come la formazione di questi ossidi sia influenzata sia dalla temperatura di combustione che dall'indice d'aria. A questo riguardo i bruciatori ad aria soffiata producono una quantità di NOx minore (mediamente 90 mg/KWH contro i 160 mg/KWH) di un bruciatore aspirato.

figura 9: NOX in funzione della temperatura di combustione

L'abbassamento degli NOx viene fatto nel caso di alcuni di bruciatori a gas disponendo elementi di raffreddamento attivi(con circolazione d'acqua) e passivi(elementi di acciaio o ceramici resistenti alle alte temperature),tra gli elementi del bruciatore(FIGURA 10).

figura 10: schema di un bruciatore ad aria aspirata con elementi di raffreddamento passivi ed attivi:
a)elementi di raffreddamento con passaggio d'acqua b) elementi di raffreddamento passivi

In tal modo abbassando la temperatura di combustione si ha diminuzione della formazione degli NOx. Nella figura 11 e' possibile vedere come l'intensità di raffreddamento diminuisca bruscamente l' NOx termico ,lasciando solo l' NOx immediato.

figura 11: NOX in funzione della potenza di raffreddamento.
Curva superiore: NOX termico, curva inferiore NOX immdiato

Un altro sistema per la riduzione degli NOx e' quello del riconvogliamento dei fumi al bruciatore (ARF) (figura 12). Con questo sistema da una parte si riduce la temperatura di fiamma e dall'altro si abbassa la pressione parziale dell'ossigeno, sfavorendo la formazione degli NOx .

 

figura 12: Rappresentazione schematica del sistema ARF Weishaupt

Nella figura 13 e' possibile vedere come aumentando la quota di riconvogliamento fumi diminuiscano gli NOx.

figura 13: R% (ARF) / NOX in funzione del riconvogliamento fumi

Ottimizzazione della combustione

Per ottimizzare la combustione bisogna da un lato rispettare i limiti di legge relativi agli incombusti, dall'altro cercare di ottenere il massimo rendimento. La figura 14 riporta l'andamento del CO in funzione dell'eccesso d'aria rispettivamente per un bruciatore ad aria soffiata con gas naturale, per due casi (curve A e B).

figura 14: CO in funzione dell'eccesso d'aria

La figura 15 riporta l'andamento del numero di Bacharach sempre in funzione dell'eccesso d'aria, per altri due casi. Si noti che tutte le curve hanno una forma ad U: l'aumento degli incombusti con bassi eccessi d'aria e' dovuta a combustione non completa per difetto d'ossigeno, l'aumento invece all'aumentare dell'eccesso d'aria e' dovuto all'abbassamento della temperatura di combustione. Una curva ad U sufficientemente ampia (curva A) permette una certa regolazione della combustione ,nei limiti delle norme, una curva ad U stretta (curva B) permette un campo di regolazione più stretto. In questo ultimo caso variazioni del tiraggio del camino per variazione della temperatura esterna etc potrebbero spostare le condizioni di funzionamento ad altre non corrette.

figura 15: numero di Bacharach in funzione dell'eccesso d'aria

Esempio di rapporto di analisi prodotto da un analizzatore di combustione( EUROTRON SRL):

combustibile:gasolio

O2 : 5,9 %

CO2 : 10,8 %

lambda(indice d'aria L):1,37

t fumi:209'C

t aria: 25'C

D t :184'C

rendim: 90,4 %

CO :74 ppm

NOx :45 ppm

Regolazione della combustione

Anche se il bruciatore, ad aria soffiata, viene tarato su valori ottimali di eccesso d'aria ,variabili perturbatrici, come ad esempio le condizioni ambientali ,possono far variare le condizioni ottimali impostate. L'impiego di una sonda per la misura dell'ossigeno nei fumi permette di conoscere con esattezza l'eccesso d'aria reale e mantenerlo a valori minimi, affinché abbia luogo da una parte la combustione completa e d'altra parte il rendimento sia massimo. Eventi perturbatori possono essere :

la temperatura dell'aria comburente, in quanto si viene a modificare la massa di aria entrante al bruciatore;
la pressione dell'aria;
la contropressione nel focolare;
le condizioni di tiraggio del camino;
le oscillazioni della composizione del combustibile;
la temperatura e la pressione del combustibile;
variazioni della portata del combustibile(ad esempio insudiciamento del filtro).

La figura 16 mostra il grafico dei valori di O2 tarabili in funzione del carico del bruciatore,con e senza regolazione O2.
E' quindi evidente il risparmio ottenibile con tali sistemi sul rendimento della combustione .

figura 16: valori di 02% in funzione della potenzialità del bruciatore

Fonti:
Nicola Taraschi :La combustione punta al verde, TIS editoriale PEG febbraio 1998
La combustione nella legge 10 pubblicazione ditta EUROTRON
Corrado De Trizio :IMPIANTI TERMICI NEGLI EDIFICI CIVILI ,PIROLA EDITORE
VAILLANT missione ambiente atti del convegno MILANO 1992
documentazione ditta WEISHAUPT
documentazione delle GEMINOX
sito: http://ntaraschi.interfree.it/combust2.htm

Nell'ambito dei generatori di calore, si possono formulare tre famiglie di combustori:

Apparecchi di tipo "A"

L'apparecchio di tipo "A", non è previsto per il collegamento ad un camino. Il prelievo dell'aria comburente e l'evacuazione dei prodotti della combustione avvengono nel locale di installazione (ovviamente ventilato dalle opportune aperture di ventilazione).

Apparecchi di tipo "B"

L'apparecchio di tipo "B", é previsto per il collegamento ad un camino o canna fumaria. Il prelievo dell'aria comburente avviene nel locale di installazione (opportunamente ventilato) e l'evacuazione dei prodotti della combustione avviene all'esterno.

Apparecchi di tipo "C"

L'apparecchio di tipo "C", ha il circuito di combustione è a tenuta rispetto il locale in cui è installato.Il prelievo dell'aria comburente e l'evacuazione dei prodotti della combustione. avvengono direttamente all'esterno.

La tabella sottostante, indica la metodologia con cui viene attribuita la classificazione agli apparecchi di combustione alimentati da gas.

Nella designazione, troviamo una lettera A-B-C che indica il metodo con cui avviene il prelievo dell'aria comburente e l'espulsione dei prodotti della combustione. Il pedice invece, indica in prima posizione il metodo di prelievo dell'aria comburente ed espulsione dei prodotti della combustione, ed in seconda posizione la presenza e la posizione dell'eventuale ventilatore nel circuito di combustione.

Nelle tabelle sottostanti vengono raffigurate le principali configurazioni di apparecchi illustrandone le rispettive posizioni di adduzione aria comburente, espulsione dei prodotti della combustione ed eventuale posizione del ventilatore di combustione.

Indice della Pagina

• GRANDEZZE FONDAMENTALI ED UNITA' DI MISURA
• DEFINIZIONI DELLE UNITA' DI MISURA
• CONVERSIONI DELLE UNITA' DI MISURA
• PREFISSI DELLE UNITA' DI MISURA DEL S.I.
• MODULI DI CONVERSIONE POLIDIREZIONALI

GRANDEZZE FONDAMENTALI ED UNITA' DI MISURA

Dal primo gennaio 1978 in tutti i paesi dell'Unione europea è stato introdotto il Sistema Internazionale (Systeme International d'unites), abbreviato SI. Tali unità sono definite dalla direttiva CEE n.80/1981.
La tabella riportata a sinistra è aggiornata alla decisione della XVIII Conferenza Generale dei Pesi e Misure del 1983.
La seguente tabella riporta la corrispondenza tra alcune unità di misura utilizzate nel settore termotecnico note le unità fondamentali.

Grandezze	Unità	Simbolo
Lunghezza	metro	m
Massa	kilogrammo	kg
Tempo	secondo	s
Corrente Elettrica	ampere	A
Temperatura Termodinamica	kelvin	K
Quantità di Sostanza	mole	mol
Intensità Luminosa	candela	cd

DEFINIZIONI DELLE UNITA' DI MISURA

Lunghezza

Il metro è la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo di 1/299 792 458 di secondo.

La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto (velocità della luce) è una costante fondamentale della Fisica. Con la definizione del metro introdotta nel 1983, il suo valore è assunto come esatto (cioè privo di incertezza) e immodificabile: c = 299 792 458 m/s. Per la realizzazione pratica del campione di metro, è raccomandato l'uso della radiazione monocromatica emessa da un laser ad elio-neon nella regione del rosso visibile (lunghezza d'onda l= 633 nm).

Storia: Dal greco méetron, latino metrum = misura (in senso generale, non specificatamente di lunghezza). Il termine metro viene usato in varie accezioni nel Medio Evo e nel Rinascimento. Il 26-5-1791 l'Accademia francese delle Scienze propone il termine metro per l'unità di lunghezza, definita come la frazione 1/10000000 dell'arco di meridiano dal polo all'equatore.

Massa

Il kilogrammo è la massa del prototipo internazionale conservato al Pavillon de Breteuil (Sevres, Francia).

E` l'unica unità fondamentale del SI basata su un campione artificiale. Si tratta di un cilindro di platino-iridio di 38 mm di diametro e di altezza, custodito in una tripla teca sotto vuoto insieme ad altre 6 copie di riscontro, nelle condizioni stabilite dalla 1a CGPM del 1889.
La precisione relativa del campione è dell'ordine di 10-9.
E' allo studio la possibilità di introdurre un campione naturale di massa basato su proprietà atomiche.

Storia: Da kilo + grammo = 1000 grammi. Il termine grammo (francese gramme) fu introdotto con il significato attuale dalla riforma metrica francese di fine 700. Deriva dal tardo latino gramma = 1/24 di oncia.

Tempo

Il secondo è la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione emessa dall'atomo di Cesio 133 nella transizione tra i due livelli iperfini (F=4, M=0) e (F=3, M=0) dello stato fondamentale 2S(1/2).

Il 133Cs ha un nucleo formato da 55 protoni e 78 neutroni. Lo stato fondamentale è lo stato in cui un atomo ha la configurazione elettronica di minima energia. La suddivisione dello stato fondamentale in livelli iperfini è dovuta all'interazione degli elettroni con il momento magnetico del nucleo; la differenza in energia DE tra i livelli iperfini è molto piccola rispetto alla differenza in energia tra i livelli principali dell'atomo.
Durante la transizione tra due livelli di energia l'atomo emette onde elettromagnetiche di frequenza n=DE/h, corrispondente ad una lunghezza d'onda l=c/n e un periodo T=1/n; h è la costante di Planck e c è la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto.
La radiazione emessa dal 133Cs durante la transizione in questione ha frequenza n =1010 Hz e lunghezza d'onda l = 3 cm (cade quindi nella regione delle microonde). Il secondo è pertanto definito come un multiplo intero del periodo T=1/n della radiazione emessa dal cesio.
Il campione primario del secondo è costituito da un orologio al cesio. Un orologio al cesio può commettere un errore massimo relativo di 1x10-12, equivalente a 1 ms ogni 12 giorni.

Storia: Abbreviazione per minuto secondo. Il minuto è un'unità di misura sessagesimale per gli angoli e per il tempo (unità non legalmente autorizzata dal S.I.). Dal latino minutum, participio passato di minuere = rendere più piccolo. Si distinguono: minuto primo = minuto = 1/60 di grado (angoli) opp. 1/60 di ora (tempo); minuto secondo = secondo = 1/60 di minuto primo.

Corrente Elettrica

L' ampere è la corrente che, se mantenuta in due conduttori paralleli indefinitamente lunghi e di sezione trascurabile posti a distanza di un metro nel vuoto, determina tra questi due conduttori una forza uguale a 2x10-7 newton per metro di lunghezza.

L'ampere è definito con riferimento alla legge che dà la forza di interazione F tra due conduttori paralleli di lunghezza s posti a distanza d e percorsi rispettivamente dalle correnti I1 e I2:
F = 2 km I1 I2 s/d,
imponendo alla costante km il valore numerico 10-7.
In genere km viene espresso in funzione della permeabilità magnetica del vuoto m0: km=m0/4p.
Secondo la definizione S.I., l'ampere può essere realizzato mediante un elettrodinamometro, ciè uno strumento che misura la forza tra due conduttori percorsi da corrente.Nella pratica si preferisce far ricorso alla legge di Ohm I=V/R e realizzare l'unità di corrente (ampere) come rapporto tra le unià di differenza di potenziale (volt) e di resistenza (ohm).
I campioni del volt e dell'ohm sono oggi realizzati ricorrendo a due fenomeni quantistici, rispettivamente l'effetto Josephson e l'effetto Hall quantistico.

Storia: Dal nome del fisico e matematico francese André-Marie Ampère (Lione 1775 - Marsiglia 1836). Professore di matematica all'Ecole Polytechnique e di fisica al Collège de France. Ha dato un contributo fondamentale alla comprensione e sistemazione teorica dell'elettrodinamica.

Temperatura Termodinamica

Il kelvin è la frazione 1/273.16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua.

Per punto triplo di una sostanza si intende lo stato termodinamico in cui sono in equilibrio le tre fasi liquida, solida e gassosa. Il punto triplo dell'acqua si verifica ad una pressione di 610 Pa e (per definizione) ad una temperatura di 273.16 K, pari a 0.01 °C.
La precisione della determinazione della temperatura del punto triplo dell'acqua è di circa 1x10-6.
La temperatura termodinamica assoluta è definita in relazione al rendimento di un ciclo termodinamico ideale, il ciclo di Carnot; la sua misurazione è ricondotta alla misurazione di un rapporto tra quantità di calore, o più in generale di un rapporto tra due valori di un'altra grandezza direttamente misurabile.

Storia: Dal nome del fisico inglese William Thomson, lord Kelvin (Belfast 1824 - Neterhall 1907). Professore di fisica all'Università di Glasgow, presidente della Royal Society. Ha dato contributi fondamentali alla ricerca nel campo della termodinamica.

Quantità di Sostanza

La mole è la quantità di sostanza che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0.012 kg di Carbonio 12. Quando si usa la mole, deve essere specificata la natura delle entità elementari, che possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, altre particelle o gruppi specificati di tali particelle.

Il 12C è l'isotopo più abbondante del carbonio: il nucleo atomico è composto da 6 protoni e 6 neutroni.
Quando si usa la mole è necessario specificare la natura delle entità elementari cui ci si riferisce: n mol di atomi, opp. di molecole, opp. di ioni, etc.
Il numero di entità elementari che costituiscono 1 mole è detto Numero di Avogadro; il suo valore approssimato è NA=6.022x1023

Intensità Luminosa

La candela è l'intensità luminosa, in un'assegnata direzione, di una sorgente che emette una radiazione monocromatica di frequenza 540x1012 Hz e la cui intensità energetica in tale direzione è 1/683 W/sr.

La fotometria misura le proprietà della radiazione elettromagnetica nell'intervallo di sensibilità dell'occhio umano (la cosiddetta luce visibile). L'occhio umano medio è sensibile alla radiazione elettromagnetica con lunghezze d'onda comprese tra circa 400 nm e circa 750 nm (rispettivamente colori violetto e rosso). Il massimo di sensibilità si ha per una lunghezza d'onda di circa 556 nm, corrispondente ad una frequenza di 540x1012 Hz.
L'intensità luminosa è la grandezza fondamentale della fotometria. L'intensità luminosa corrisponde all'energia emessa da una sorgente nell'unità di tempo e nell'unità di angolo solido, pesata dalla curva media di sensibilità dell'occhio umano.

Conversioni delle unità di misura

(SI - Sistema Internazionale Tec. - Unità tecniche Ingl. - Unità inglesi (1) - Unità non SI, ammesse)

LUNGHEZZA
SI	metro	m	1 m = 3.28ft = 39.37 in
Ingl.	inch(pollice)	1" , in	1 in = 2.54 cm
Ingl.	hand(palmo)		4 in = 10.16 cm
Ingl.	span(spanna)		9 in = 22.86 cm
Ingl.	foot(piede)	1' , ft	1 ft = 12 in = 30.48 cm
Ingl.	yard(iarda)	yd	1 yd = 3 ft = 91.44 cm
Ingl.	miglio marino		1 miglio marino = 1.852 m 1 nodo = 1.853,181 m
Ingl.	miglio terrestre US	mi	1 miglio terrestre = 1.609,347 m

 

MASSA - Quantità di Materia
SI	kilogrammo	kg	1 kg = 2.204 lb
(1)	tonellata	1" , in	1 t = 1000 kg = 1 Mg
Ingl.	pound(libbra)	lb	1 lb = 0.454 kg

 

FORZA O PESO - Massa * Accelerazione
SI	newton(kg*m/s^2)	N	1 N = 0.102 kgf  1 kgf = 9.81 N
Tec	kilogrammo	kg	1 kg = 9.81 N  1 N = 0.102 kg

 

PRESSIONE - Forza / Superficie
SI	Pascal	Pa	1 Pa = 1 N/m² 1 kPa = 0,01 bar = 1 N/cm²
(1)	-	bar	1 bar = 100.000 Pa = 1,019 kg/cm² = 14,48 psi = 10,19 mH2O
Ingl.	pounds su inch^2	psi	1 psi = 6,906 kPa = 0,068 bar = 0,0703 kg/cm²
Tec	atmosfera tecnica	at	1 at = 1 kg/cm² = 736 mm di Hg = 10 mH2O = 98.066,50 Pa
Tec	-	kg/cm^2	1 kg/cm² = 98,067 kPa = 0,980 bar = 0,967 atm
Tec	atmosferica metrica	atm	1 atm = 101.325 Pa = 760 mm di Hg = 1,033 at = 1 torr

 

VOLUME
SI	metro cubo	m³	1 m³ = 35,3146 ft³ = 61023,759 in³ = 264,20 galUS
Ingl.	cubic foot	ft³	1 ft³ = 0,02832 m³ = 1728,0006 in³
Ingl.	cubic inch	in³	1 in³ = 0,00001638 m³ = 0,0005787 ft³
U.S	gallon US	galUS	1 galUS = 0,003785 m³
U.K.	gallon UK	galUK	1 galUK = 0,004546 m³

 

PESO SPECIFICO
SI	newton su dm³	N/dm³	1 N/dm³ = 0,102 kg/dm³
Tec.	kg su dm³	kg/dm³	1 kg/dm³ = 9,807 N/dm³

 

TEMPERATURA
SI	kelvin	K	1 K = °C + 273,15
SI	grado centigrado	°C	1 °C = (°F-32) x 5/9 = K - 273,15
Ingl.	grado fahrenheit	°F	1 °F = 9/5 x °C + 32

 

MOMENTO O COPPIA - Forza * Distanza
SI	newton per metro	N·m	1 N·m = 0,102 kg·m = 0,7376 ft·lb
Tec.	kilogrammo per metro	kg·m	1 kg·m = 9,807 N·m = 7,233 ft·lb

 

POTENZA - Lavoro / Tempo
SI	watt	W	1 kW = 1,36 CV = 1,34 HP = 860 kcal/h
Tec.	cavallo vapore	CV	1CV = 0,736 kW = 0,986 HP = 75 kg·m/s
Ingl.	horsepower	HP	1 HP = 1,014 CV = 0,746 kW

 

LAVORO E ENERGIA
SI	joule	J	1 J = 1N·m 1 J = 0,102 kg·m 1 kg·m = 9.807 J
Tec.	kilowatt per ora	kW·h	1 kW·h = 1,36 CV·h = 860 kcal = 1.000 W x 1J = 3.6x10^6 J
Tec.	cav. vapore per ora	CV·h	1 CV·h = 270.000 kg·m = 0,736 kW·h

 

ANGOLO
SI	radiante	rad	1 rad = 57°,29578 = 57° 17' 44",81 = 63c,66198 1 angolo giro = 2 p rad
Tec.	inch(pollice)	1°	1° = 0,01745 rad = 1,11111^c
Tec.	hand(palmo)	1^c	1^c = 0,01571 rad = 0,90°

PREFISSI DELLE UNITA' DI MISURA DEL SI

tera	T	1012	1 000 000 000 000
giga	G	109	1 000 000 000
mega	M	106	1 000 000
kilo	k	103	1 000
etto	h	102	100
deca	da	101	10
deci	d	10-1	0.1
centi	c	10-2	0.01
milli	m	10-3	0.001
micro	µ	10-6	0.000 001
nano	n	10-9	0.000 000 001
pico	p	10-12	0.000 000 000 001

MODULI DI CONVERSIONE POLIDIREZIONALI

(inserire il dato e premere "calcola" per convertire nelle varie unità) N.B. UTILIZZARE IL PUNTO PER SEPARARE I DECIMALI

Clicca Qui per Accedere all'Area di Conversione

Incendio tetti e canne fumarie – analisi dei casi verificatisi in provincia di Brescia e statistica delle cause
Ing. Pier Nicola Dadone – Direttore Vice Dirigente Comando prov.le VVF Brescia

Analisi di un caso reale di incendio: illustrazione delle cause rilevate nel corso di una perizia tecnica
p.i. geom. Giuliano Vacchi – componente C.I.P.I. BS

Le normative di riferimento: l’installazione di apparecchi a biomassa legnosa ed impianti fumari costruiti in opera (UNI 10683,UNI EN 15287) -difformità riscontrate durante i sopralluoghi ante opera rispetto alle prescrizioni normative
geom. Sandro Bani – vicepresidente nazionale fumisti- responsabile regionale ANFUS

Canne fumarie quale veicolo principale di innesco e propagazione d’incendi: regole per un utilizzo sicuro. Il punto di vista dei produttori
ing. Davide Castagna – Assocamini

Il ruolo del progettista e direttore dei lavori: ristrutturazioni e nuove edificazioni. Il professionista quale garante dell’opera con particolare riferimento ai generatori a combustibili solidi ed alle loro predisposizioni
ing. Roberto Rezzola – libero professionista

L’impresa edile ed il DM 37/08: generatori di calore a combustibili solidi e canne fumarie; l’informazione al mondo dell’edilizia in relazione all’interfacciamento con l’installatore abilitato alla posa di componenti certificati
ing. Angelo Deldossi – Collegio Costruttori

Il ruolo degli installatori nella posa in opera del generatore di calore e della canna fumaria in relazione al mancato rispetto della “regola d’arte”
Geom. Armando Dioni (Presidente Associazione Bresciana Installatori)

Il ruolo della pubblica amministrazione nella prevenzione: la funzione di controllo della pubblica amministrazione: i controlli documentali ed i controlli a campione. La pubblica amministrazione e l’informazione mirata all’utenza (valido per edifici già dotati di agibilità il cui proprietario decide di installare un nuovo generatore)
geom. Carlo Panzera – Associazione Comuni Bresciani

Profili di responsabilità civile ed aspetti processualistici
Dott.ssa Lucia Cannella – Giudice del Tribunale di Brescia

Generatori di calore domestici alimentati a combustibili solidi: il ruolo dei costruttori di stufe artigianali e dei produttori di camini e stufe prefabbricati nella corretta informazione all’utenza (vendita al dettaglio) in relazione agli aspetti legati all’installazione, uso e manutenzione.
Dante Bozzetto – ASSOCOSMA (stufe ad accumulo)
Marco Baccolo - presidente produttori ANFUS

La manutenzione ordinaria quale veicolo di prevenzione: la pulizia periodica di canne fumarie al servizio di termocamini negli edifici condominiali. Il ruolo dell’amministratore del condominio quale garante di un bene, quasi sempre, comune; il tetto
Avv. Gianluigi Frugoni - ANACI Brescia

L’operato degli spazzacamini nella prevenzione e nel corretto funzionamento degli impianti: la manutenzione del camino UNI 10847. Proposte concrete di intervento sul territorio
Mario Paonessa - presidente spazzacamini Lombardia
Lorenzo Bezzi - responsabile ANFUS Trentino

Indice della Pagina

• CALDAIE ATMOSFERICHE
• CALDAIE AD ARIA SOFFIATA
• APPARECCHI A TIRAGGIO FORZATO
• CALDAIE AD ARIA SOFFIATA A CONDENSAZIONE -40 Pa
• CALDAIE AD ARIA SOFFIATA A CONDENSAZIONE -100 Pa
• CALDAIE A LEGNA
• CAMINETTI A LEGNA
• CALDAIE AD ARIA SOFFIATA A CONDENSAZIONE -100 Pa

Premessa

I seguenti grafici consentono, in funzione della tipologia del combustore, della potenza termica del generatore [kW] e dell'altezza del camino [H], di avere una indicazione sul diametro idraulico [Ø mm] con cui realizzare lo scarico fumi.

Lo scopo è quello di fornire le curve caratteristiche di tendenza del dimensionamento; è sempre indispensabile comunque effettuare un dimensionamento analitico.

CALDAIE ATMOSFERICHE

Condizioni di applicabilità:

Combustibile:	gas naturale	Combustione:	a tiraggio naturale con bruciatore di tipo atmosferico
Metodo utilizzato per la simulazione:	norma UNI EN 13384-1	Temp. Media fumi:	da 120 a 160 °C
CO2:	5-7%	Pressione per il generatore:	3 Pa
Tipologia camino:	acciaio inox	Resistenza termica media:	0,25 m2K/W
Lunghezza canale da fumo:	1/4 H	Diametro canale da fumi:	uguale a quello del camino
Somma resistenze conc:	∑ ξ ≤ 2,0 adm (canale da fumo)	Altezza s.l.mare.:	200 m

CALDAIE AD ARIA SOFFIATA

Condizioni di applicabilità:

Combustibile:	gas naturale - gasolio	Combustione:	con bruciatore ad aria soffiata
Simulazione:	norma UNI EN 13384-1	Temp. Media fumi:	da 120 a 160 °C
CO2:	9,5 ÷ 13%	Pressione generatore:	0 Pa
Tipologia camino:	acciaio inox	Resistenza termica media:	0,25 m2K/W
Lunghezza canale da fumo:	1/4 H	Diametro canale da fumi:	uguale a quello del camino
Somma resistenze conc:	∑ ξ ≤ 2,0 adm (canale da fumo)	Altezza s.l.mare.:	200 m

APPARECCHI A TIRAGGIO FORZATO

Condizioni di applicabilità:

Combustibile:	gas naturale	Combustione:	a camera stagna con ventilatore nel circuito di combustione (turbo)
Simulazione:	norma UNI 10641	Temp. Media fumi:	da 110 °C a 130 °C
CO2:	5 ÷ 7%	Pressione all'imbocco del camino:	0 Pa
Tipologia camino:	acciaio inox	Resistenza termica media:	0,25 m2K/W
Lunghezza condotto di scarico:	3 m	Diametro condotto scarico fumi:	80 mm
Somma resistenze conc:	∑ ξ ≤ 2,0 adm (cond. scarico fumi)	Altezza s.l.mare.:	200 m

CALDAIE AD ARIA SOFFIATA A CONDENSAZIONE -40 Pa

Condizioni di applicabilità:

Combustibile:	gas naturale	Combustione:	con bruciatore ad aria soffiata
Simulazione:	norma UNI EN 13384-1	Temp. Media fumi:	≤ 40°C
CO2:	8,5 ÷ 9,5%	Pressione generatore:	40 Pa
Tipologia camino:	acciaio inox	Resistenza termica media:	0,25 m2K/W
Lunghezza canale da fumo:	1/4 H	Diametro canale da fumo:	ugualea quello del camino
Somma resistenze conc:	∑ ξ ≤ 2,0 adm (canale da fumo)	Altezza s.l.mare.:	200 m

CALDAIE AD ARIA SOFFIATA A CONDENSAZIONE -100 Pa

Condizioni di applicabilità:

Combustibile:	gas naturale	Combustione:	con bruciatore ad aria soffiata
Simulazione:	norma UNI EN 13384-1	Temp. Media fumi:	≤ 40°C
CO2:	8,5 ÷ 9,5%	Pressione generatore:	100 Pa
Tipologia camino:	acciaio inox	Resistenza termica media:	0,25 m2K/W
Lunghezza canale da fumo:	1/4 H	Diametro canale da fumi:	uguale a quello del camino
Somma resistenze conc:	∑ ξ ≤ 2,0 adm (canale da fumo)	Altezza s.l.mare.:	200 m

CALDAIE A LEGNA

Condizioni di applicabilità:

Combustibile:	legna	Simulazione:	norma UNI EN 13384-1
Temp. Media fumi:	200°C	Pressione per il focolare:	10 Pa
Tipologia camino:	acciaio inox	Resistenza termica media:	0,25 m2K/W
Lunghezza canale da fumo:	1/4 H, max. 2 m	Diametro canale da fumo:	uguale a quello del camino
Somma resistenze conc:	∑ ξ ≤ 1,6 adm (canale da fumo)	Altezza s.l.mare.:	250 m

CAMINETTI A LEGNA

Condizioni di applicabilità:

Combustibile:	legna - carbone	Combustione:	atmosferica a focolare aperto
Simulazione:	norma UNI EN 13384-1	Pressione per il focolare:	5 Pa
Tipologia camino:	acciaio inox	Resistenza termica media:	0,25 m2K/W
Lunghezza canale da fumo:	1/4 H	Diametro canale da fumi:	uguale a quello del camino
Somma resistenze conc:	∑ ξ ≤ 1,5 adm (canale da fumo)	Altezza s.l.mare.:	200 m

CALDAIE AD ARIA SOFFIATA A CONDENSAZIONE -100 Pa

Condizioni di applicabilità:

Combustibile:	gas naturale	Combustione:	con bruciatore ad aria soffiata
Simulazione:	norma UNI EN 13384-1	Temp. Media fumi:	≤ 40°C
CO2:	8,5 ÷ 9,5%	Pressione generatore:	100 Pa
Tipologia camino:	acciaio inox	Resistenza termica media:	0,25 m2K/W
Lunghezza canale da fumo:	1/4 H	Diametro canale da fumi:	uguale a quello del camino
Somma resistenze conc:	∑ ξ ≤ 2,0 adm (canale da fumo)	Altezza s.l.mare.:	200 m

test

test

test

Indice della Pagina

• CONDUCIBILITA' TERMICA
• CONDUTTORE ELETTRICO PERCORDO DA CORRENTE
• RAGGIO CRITICO DI UN ISOLANTE
• TUBO PERCORSO DA LIQUIDO O GAS
• SFERA CAVA ISOLATA
• TABELLE CONDUCIBILITA' TERMICA

CONDUCIBILITA' TERMICA

Quando due corpi a temperature differenti si trovano a contatto, si verifica una trasmissione di calore dal corpo più caldo a quello più freddo, in altre parole si ha quello che è stato definito uno scambio termico per conduzione.
Questo fenomeno è già stato descritto per mezzo della legge di Fourier:
dove la conducibilità termica l (W/mK) è la grandezza caratteristica del materiale che viene generalmente considerata costante per consentire la semplificazione dei calcoli in cui compare.

Questa imprecisione è ovviamente trascurabile, poiché la soluzione di problemi riguardanti lo scambio termico comportano sempre una certa approssimazione dovuta all'effettiva difficoltà di descrivere esaurientemente il fenomeno fisico con modelli matematici. Maggiormente l'errore è trascurabile considerando l'andamento pressoché lineare della variabile; l è tuttavia funzione della temperatura:

l=l(T) (2)

Se risulta necessario eseguire calcoli più accurati, la conducibilità termica non può più essere considerata costane, la grandezza l deve quindi essere integrata (nell'Equazione di Fourier (3) l = cost era stata portata fuori dal laplaciano).

Consideriamo per semplicità il comportamento in un caso mono dimensionale di una lastra la cui temperatura varia tra T1 e T0, prima per l = cost:

Fig.1 – Andamento lineare di l = cost.

Poi per l = l(T):

Fig.2 - Andamento curvilineo di l=l(T).

Come emerge dal grafico l'approssimazione lineare comporta una perdita d'informazione.

Analizziamo il secondo caso utilizzando l'Equazione di Fourier:

Imponiamo le condizioni iniziali:

1.qg=0 perché non c'è generazione

2.regime stazionario: derivata rispetto al tempo nulla

L'equazione (3) diventa:

(essendo per la condizione di stazionarietà) - Imponiamo l in funzione della temperatura:

l = A + BT (5)

poi sostituiamo nella (4):

Adesso possiamo separare le variabili:

e portare fuori A e B; integrando una prima volta si ottiene:

Integrando una seconda volta:

Otteniamo quindi una parabola.

Studiamo per semplicità le condizioni al contrario (ovvero in funzione di x anziché di T); osserviamo che imponendo la prima condizione si ottiene:

x = 0 Þ T = T0 allora C2 = AT0 + BT20/2

imponendo, invece, la seconda:

x = S Þ T = T1 allora AT1 + BT21/2 = C1S + AT0 + BT20/2

quindi ricaviamo C1:

Infine sostituendo nella (9) C1 e C2:

Fig.3 - Parabola orientata lungo -x.

Poiché x varia con il quadrato di T e non viceversa, la parabola assume la seguente forma, con il verso positivo orientato in senso contrario all'asse x (T0>T1):

La concavità della parabola rivolta verso l'alto indica il comportamento di l al variare della temperatura:

- B > 0 Þ la crescita della temperatura fa aumentare la conducibilità termica
- B < 0 Þ la temperatura in diminuzione fa aumentare la conducibilità termica

Se si elimina il termine costante C2 dalla (9) si ottiene:

 

Per semplicità consideriamo il caso T0 < T1; al crescere di T la curva continua a crescere (nella fig. 4 la curva tratteggiata).

Fig.4 - Andamento di l al crescere della temperatura.

consideriamo la legge di Fourier generalizzata, applicata cioè ad un vettore nello spazio:

Poiché il calore scambiato è costante, anche il prodotto -l*gradT è costante.

Perciò, nei materiali normalmente, la concavità della parabola è sempre rivolta verso l'alto; infatti, il valore di l è piuttosto piccolo e quindi di conseguenza aumenta il gradiente di T.

Prendiamo, ad esempio, il rivestimento di una caldaia (Fig.5) e osserviamo il comportamento della conducibilità termica l nei diversi strati di materiali che formano la struttura.

Se l è costante per calcolare lo scambio termico attraverso lo strato isolante della parete della caldaia è sufficiente considerare la serie delle resistenze equivalenti:

Poiché l non è costante troviamo al centro della parete temperature molto maggiori di quanto previsto; questo comporta una notevole sollecitazione dell'isolante che si trova a contatto con temperature molto elevate frutto del forte gradiente di T, causato dalla grande differenza di temperatura tra la parete interna e quella esterna della caldaia.

Fig.5 - Parete isolante della caldaia.

(Nota: Le tabelle riportano dati sulla variabilità di l solo per alcune temperature prefissate, perciò se non si conoscono i coefficienti A e B della formula (5) risulta inevitabile considerare l costante anziché funzione della temperatura. È quindi indispensabile prevedere un adeguato fattore di sicurezza nella progettazione di impianti di questo tipo.)

CONDUTTORE ELETTRICO PERCORSO DA CORRENTE

Consideriamo un conduttore elettrico percorso da corrente e rivestito da una guaina di materiale isolante.

Lo strato interno è un materiale di tipo metallico ad elevato potere conduttivo (ad esempio Cu, Al, ecc.), lo strato esterno una guaina di materiale plastico isolante, adatto sia a dissipare il calore, sia a proteggere da un eventuale contatto con il filo.

In Fig. 6 è riportato un esempio di conduttore rame pieno:

Fig.6 - Isometria cilindrica conduttore elettrico.

Dentro al rame la T non è uniforme poiché si ha generazione di calore per effetto Joule, ma l'elevata conducibilità del materiale contribuisce a livellare i dislivelli di temperatura.

Il calore interno prodotto va comunque dissipato, poiché per quanto piccolo (è dell'ordine di 1/1000) è sufficiente a produrre un incremento di temperatura dannoso per le apparecchiature.

Per calcolare la potenza dispersa da un conduttore di lunghezza L, consideriamo la serie delle resistenze termiche equivalenti (Fig.7):

r1 = resistenza di conduzione del materiale isolante

r2 = resistenza di convezione dell'aria esterna all'isolante

Fig.7 - Rappresentazione mediante l'uso delle resistenze.

Per lo strato conduttivo ricordiamo l'espressione della potenza termica scambiata da uno strato cilindrico

Quindi otteniamo la resistenza termica di uno strato cilindrico:

Mentre la potenza termica scambiata per convezione:

E la resistenza termica relativa è uguale a:

Sommando le due resistenze termiche equivalenti otteniamo la potenza termica dissipata attraverso il rivestimento:

Dove h, l, Tf, T¥ sono rispettivamente il coefficiente di convezione all'esterno dell'isolante, la conducibilità termica della guaina isolante, la temperatura all'interno dell'isolante e la temperatura all'esterno dell'isolante.

La potenza termica dissipata attraverso il rivestimento isolante è funzione del raggio della guaina stessa; è interessante notare come la funzione abbia un massimo in prossimità del raggio critico Rc (Fig.8).

Al crescere del raggio r2 della guaina prima si ha un aumento della potenza termica dissipata, poi raggiunto il raggio critico inizia a diminuire. Il fenomeno è causato dalla diminuzione della resistenza convettiva.

Finché il raggio r2 è piccolo si ha un aumento della superficie dissipativa rispetto al filo nudo, quindi cresce lo scambio termico e diminuisce la temperatura del filo; poi al crescere del raggio il termine a denominatore cresce troppo e aumenta la resistenza termica.

Se non ci fosse la guaina:

Fig.8 - Raggio critico isolante

(Nota: Tanto maggiore è la resistenza termica del materiale isolante e tanto maggiore va il rivestimento del filo conduttore. Infatti, quando c'è un corto circuito, si ha un principio di surriscaldamento del filo, la guaina isolante inizia a sciogliersi rendendo il processo irreversibile, poiché la capacità dissipativi del rivestimento diminuisce progressivamente fino alla fusione completa del conduttore.

Rc è il raggio ottimale: ricaviamo il suo valore effettivo trovando il massimo nell'equazione (19). Deriviamo il denominatore rispetto a r2 e uguagliamo a 0:

(la costante 1/(2pL) si può eliminare)

Poiché r2 > r1 ¹ 0 dalla (22) otteniamo il raggio critico:

 Se ci fosse anche la componente dell'irraggiamento al posto do h useremmo il coefficiente convettivo totale htot.

Quando il raggio della guaina supera il raggio ottimale si ha un'inversione di tendenza e il contributo dissipativo della maggior superficie è superato dal contributo negativo della guaina isolante. Se, ad esempio, il rivestimento esterno ricopre un tubo dell'acqua calda il suo contributo non deve più essere dissipativo, ma bensì isolante: il raggio deve quindi essere per lo meno superiore al punto di flesso del grafico.

Per trovare il flesso è sufficiente annullare la derivata seconda:

Il raggio di flesso è perciò:

Quindi il raggio di flesso (minimo comportamento isolante) è il doppio del raggio critico (massimo comportamento isolante). Per questo motivo il raggio critico di molti isolanti per tubi dell'acqua è inferiore al raggio del tubo metallico in cui scorre il liquido.

RAGGIO CRITICO ISOLANTE

Sia dato un filo elettrico (Fig.9) di sezione S pari a 1mm2 con una resistenza R, per unità di lunghezza, pari a 1W/m. Il filo è percorso da una corrente i pari a 5A (è un conduttore di bassa qualità).

Determinare la temperatura del filo, conoscendo il valore del coefficiente di convezione esterno he pari a 50W/m2°K. Tale valore è volutamente elevato in quanto comprende anche la componente dello scambio termico per irraggiamento.

Determinare infine la potenza dispersa per metro di lunghezza:

Fig.9 - Filo elettrico.

Soluzione:

La potenza dispersa per la componente convettiva è uguale a:

Dove Sf è la superficie esterna del filo, Tf è la temperatura del filo e T¥ = 20°C.

La potenza termica dispersa per effetto Joule per unità di lunghezza è uguale a:

Considerando che il filo ha una sezione S pari a 1mm2, il suo raggio rf si calcola nel seguente modo:

Possiamo quindi ricavare la temperatura del filo:

E' una temperatura pericolosa, il filo nudo andrà necessariamente ricoperto con un isolante adeguato per evitare che si bruci.

Il raggio ottimale della guaina isolante sarà il raggio critico.

Supponiamo di utilizzare un materiale come la gomma con una conducibilità termica lg pari a 1W/m°K, allora il raggio ottimale sarà:

 Lo spessore della guaina è chiaramente esagerato rispetto al diametro del filo poiché la conducibilità termica è troppo elevata..

La nuova potenza scambiata varrà: