Il fenomeno della reazione di combustione fu spiegato in modi differenti nei tempi antichi. All’inizio del 18° secolo, la combustione è la reazione chimica di due sostanze (combustibile e comburente) con sviluppo di calore.
Definizione di Combustione
L'insieme di trasformazioni fisiche e chimiche di un materiale sottoposto all'azione del fuoco, stabilisce la “reazione al fuoco dei materiali” (esistono diverse reazioni di combustione). Per esempio, quando abbiamo un combustibile liquido, questo non brucia direttamente, ma bruceranno i suoi vapori quando cominciamo a riscaldarlo, sono questi che, una volta raggiunta la temperatura di accensione, inizieranno a bruciare.
Comburente
Il comburente che partecipa alla combustione è l’ossigeno, ossia un “gas”. È per questo motivo che anche l’altro elemento in gioco, il combustibile, deve essere un gas o un vapore.
Innesco
L’innesco è l’elemento che, quando entra in contatto con la miscela infiammabile, avvia la reazione di combustione. Affinché il processo di combustione abbia inizio, l’innesco dovrà avere una temperatura di combustione superiore alla temperatura di accensione del combustibile.
- Si definisce accensione diretta, quando una fiamma, una scintilla o un altro materiale incandescente entra a contatto con un materiale combustibile in presenza di ossigeno.
- Si dice accensione indiretta quando il calore d'innesco avviene nelle forme della convezione, conduzione e irraggiamento termico.
- Si dice che l’innesco della causa di combustione è l’attrito quando il calore è prodotto dallo sfregamento di due materiali.
Esempi di innesco includono: lenti processi di ossidazione, reazione chimiche, decomposizioni esotermiche in assenza d’aria, azione biologica. Il processo di combustione diventa così un fenomeno a catena detto auto-catalisi, ossia in grado di autoalimentarsi.
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Gas di Combustione e Fumo
I gas di combustione sono quei prodotti della combustione che rimangono allo stato gassoso anche quando raggiungono raffreddandosi la temperatura ambiente di riferimento 15 °C. I fumi sono formati da minuscole particelle solide (aerosol), liquide (nebbie o vapori condensati). Le particelle solide sono sostanze incombuste che si formano quando la combustione avviene in carenza di ossigeno e vengono trascinate dai gas caldi prodotti dalla combustione stessa.
Calore e Reazione Chimica
Il calore è la causa principale della propagazione degli incendi. La combustione è una reazione chimica esotermica (con sviluppo di calore) fra un combustibile ed un comburente (l'ossigeno). Da questa reazione si sviluppano nuovi componenti, i gas di combustione.
Esempi di reazioni di combustione:
- C + O2 = CO2 (pesi sostanze 12 + 32 = 44)
- 2 H2 + O2 = 2 H2O (pesi sostanze 4 + 32 = 36)
L'ossigeno necessario per bruciare 1 kg di carbonio è 32/12 kg, mentre la CO2 prodotta dalla combustione di un kg di carbonio è 44/12 kg. L'ossigeno necessario per bruciare 1 kg di idrogeno è 32/4 kg, mentre la H2O prodotta dalla combustione di un kg di idrogeno è 36/4 kg. L'ossigeno necessario per bruciare 1 kg di zolfo è 32/32 kg, mentre la SO2 prodotta dalla combustione di un kg di zolfo è 64/32 kg. Intendendo per ceneri le sostanze minerali che permangono nel focolare.
Processo di Combustione
La combustione avviene quando il combustibile è 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.
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Si è già visto che il carbonio in difetto d'aria può reagire con l'ossigeno formando monossido di carbonio, con conseguente minor sviluppo di calore. Si intende quindi che per eccesso d'aria uguale a zero l'aria è 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.
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.
Potere Calorifico
Il potere calorifico superiore, PCS, è 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 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 è solo quello sensibile e viene definito PCI, potere calorifico inferiore. Solo nelle caldaie a condensazione, in cui avviene la condensazione del vapor d'acqua, è possibile recuperare questo calore.
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.
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 è quello della scala di Bacharach.
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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.
In un generatore di calore avviene la conversione dell'energia termica prodotta dal combustibile in calore sotto forma di riscaldamento dell'acqua.
Caldaie a Condensazione
Nella caldaia a condensazione, vi è un secondo scambiatore, prima del 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.
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 hanno anche maggiore il rendimento stagionale perché minore è la circolazione di aria fredda a caldaia spenta, per le maggiori perdite di carico e la presenza dei ventilatore.
Formazione di 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 è 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 è legato alla temperatura di fiamma elevata.
Nel grafico di figura 9 è 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. L'abbassamento degli NOx viene fatto nel caso di alcuni 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). In tal modo abbassando la temperatura di combustione si ha diminuzione della formazione degli NOx.
Un altro sistema per la riduzione degli NOx è 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. Nella figura 13 è possibile vedere come aumentando la quota di riconvogliamento fumi diminuiscano gli NOx.
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). 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 è dovuta a combustione non completa per difetto d'ossigeno, l'aumento invece all'aumentare dell'eccesso d'aria è 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 quest'ultimo caso variazioni del tiraggio del camino per variazione della temperatura esterna etc potrebbero spostare le condizioni di funzionamento ad altre non corrette.
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. La figura 16 mostra il grafico dei valori di O2 tarabili in funzione del carico del bruciatore, con e senza regolazione O2. È quindi evidente il risparmio ottenibile con tali sistemi sul rendimento della combustione.
La legge affida invece al responsabile per l'esercizio e la manutenzione, e per lui al tecnico manutentore qualificato, il compito di controllare che il RENDIMENTO DI COMBUSTIONE sia superiore ai limiti minimi imposti. Il DPR 412 (art. non sia inferiore a quattro punti percentuali rispetto al valore minimo del rendimento termico utile per generatori installati antecedentemente al 1 Agosto 1994. non sia inferiore a un punto percentuale rispetto al valore minimo del rendimento utile per generatori installati dopo il 1 Agosto 1994.
Riportiamo nella tabella i valori dei rendimenti utili e di Combustione ricavati dallo sviluppo delle formule del DPR 412 in funzione delle potenze espresse in KW.
Calore di Combustione Specifico
Ancora più nel dettaglio, se la quantità di sostanza che si comporta da combustibile corrisponde ad una mole, il calore di combustione è detto calore di combustione specifico. Il calore di combustione è quindi il calore sviluppato in una reazione di combustione; queste ultime sono reazioni chimiche che avvengono tra un combustibile e un comburente, solitamente ossigeno. I valori dei calori di combustione variano con la temperatura alla quale si effettua la combustione stessa; questa dipendenza è definita dalla legge di Kirchhoff. A seconda che l'acqua prodotta sia allo stato liquido o di vapore, si definisce un calore di combustione superiore o inferiore.
Conoscendo il calore di combustione di una sostanza è possibile, in genere, determinare le entalpie di formazione: consideriamo ad esempio un generico idrocarburo CnHm.
Si tratta di un piccolo recipiente di acciaio con pareti spesse, ermeticamente chiuso, in cui è posta una piccola capsula di porcellana contenente la sostanza da esaminare; tale sostanza viene successivamente combusta mediante una resistenza elettrica "immersa" nella sostanza stessa. Quest'ultimo, a sua volta, è immerso in un altro recipiente isolato termicamente da materiale isolante e riempito di acqua. Il calore prodotto nella combustione della sostanza in esame, viene assorbito dall'acqua che quindi si riscalda. Applicando infine la legge fondamentale della termologia è possibile risalire alla quantità di calore emessa durante la combustione.
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