Sviluppo di Potenza dal Calore: Combustibili Speciali e Funzionamento degli Impianti

Gli impianti di riscaldamento rientrano nella categoria degli impianti di climatizzazione, i quali controllano la temperatura dell’aria non solo durante l’inverno, ma anche in estate. È noto che il calore si trasferisce nel verso in cui la temperatura diminuisce, cioè da zone a temperatura più elevata verso zone a temperatura inferiore. Questo è un processo che avviene spontaneamente in natura, senza l’intervento di alcuna macchina. Il processo inverso, invece, cioè il trasferimento del calore da zone a temperatura più bassa verso zone a temperatura maggiore, non si verifica spontaneamente e richiede l’impiego di specifiche macchine chiamate macchine frigorifere.

Componenti Chiave degli Impianti di Riscaldamento

Negli impianti di riscaldamento troviamo diversi componenti fondamentali:

• Il condensatore: è uno scambiatore di calore in cui entra il vapore che viene condensato, ed eventualmente sottoraffreddato, e poi scaricato sotto forma di liquido cedendo calore ad un fluido a temperatura minore.
• La pompa di calore: anche questa può considerarsi una macchina frigorifera in quanto è capace di trasferire calore da una sorgente a più bassa temperatura ad un pozzo a temperatura maggiore.
• Il bruciatore: in cui avviene la miscelazione di un combustibile ed un comburente producendo la reazione di combustione e successivamente la fiamma, la quale trasmette il calore sia per conduzione termica sia per irraggiamento.
• Il camino: per l’espulsione dei fumi.

Centrali Termiche: Requisiti e Alimentazione

Quando un impianto di riscaldamento diventa centrale termica? Negli impianti centralizzati, la potenza del generatore di calore è sempre superiore ai 35 kW e, perciò, la centrale termica è situata in un apposito locale dedicato. Le specifiche caratteristiche costruttive dei locali, che devono costituire compartimento antincendio, sono fondamentali. In particolare, le strutture portanti devono avere una resistenza al fuoco non inferiore a R 120 e gli elementi separanti non inferiore a REI 120.

L’alimentazione di una centrale termica avviene principalmente a gas metano, a gasolio e a GPL. La centrale termica a gas metano viene utilizzata per il riscaldamento degli edifici, per la produzione di acqua calda, per grandi cucine, forni da pane, lavanderie, inceneritori, ecc. La centrale termica a GPL viene utilizzata ampiamente nel settore agricolo per le coltivazioni in serra, la floricoltura, l’essiccazione, il riscaldamento degli allevamenti, i processi caseari e di stagionatura.

Combustione e Combustibili

La combustione è una reazione tra un combustibile e un comburente dalla quale si libera una quantità rilevante di energia. Il combustibile è solitamente un composto contenente carbonio e/o idrogeno, mentre il comburente è una sostanza contenente atomi ad elevata elettronegatività (N, O, F), di cui il più diffuso è l’ossigeno dell’aria. I combustibili liquidi, come ad esempio la benzina, sono per lo più costituiti da idrocarburi e solitamente si classificano in base alla leggerezza (densità) e all’intervallo di distillazione (la temperatura in cui avviene l’ebollizione). Tra i combustibili gassosi, il più diffuso è il gas naturale, grazie all’elevata disponibilità.

Leggi anche: Calcolo Potenza Termica Pompa di Calore

Fluidi Termovettori e Terminali

In molte applicazioni pratiche di riscaldamento o raffreddamento si utilizza il flusso di un liquido o di un gas all’interno di tubi o condotti. Il fluido termovettore per eccellenza è l’acqua. La maggior parte dei fluidi, specialmente i liquidi, vengono trasportati in tubi circolari, perché possono sopportare elevate differenze di pressione tra l’ingresso e l’uscita senza subire deformazioni significative. I tubi a sezione non circolare sono invece più spesso usati nelle applicazioni di raffreddamento e riscaldamento degli edifici, dove le differenze di pressione sono relativamente piccole e i costi di produzione e installazione inferiori.

L’ impianto con rete di distribuzione a due tubi è costituito da due linee, le tubazioni di mandata (caldaia-terminale) e le tubazioni di ritorno (terminale-caldaia): consiste nel servire in serie e parallelo con due tubi i diversi terminali, che prendono il fluido dal tubo di mandata e lo scaricano su quello di ritorno.

I terminali sono i corpi scaldanti dell’impianto di riscaldamento dai quali viene dissipato il calore nell’ambiente. Esistono diverse tipologie di terminali:

• Radiatori
• Piastre radianti: analoghe ai radiatori, con la differenza che quest’ultime possono operare anche a temperature inferiori a 50 °C. Ciò permette di sfruttare al meglio le potenzialità delle sorgenti energetiche a bassa temperatura (caldaie a condensazione, pompe di calore), risparmiando energia.
• Ventilconvettori (aerotermi): apparecchi che possono essere installati a terra o nel soffitto, costituiti da tubi alettati racchiusi all’interno di un involucro di metallo. Raggiungono la temperatura richiesta nell’ambiente rapidamente, ma si raffreddano con la stessa velocità ad impianto spento.
• Pannelli radianti: tubazioni in cui l’acqua circola a temperatura bassa e costante. Vengono distribuiti uniformemente su tutto il solaio (massetto) e riscaldano l’ambiente per irraggiamento. Possono essere anche a soffitto o a parete, quest’ultimi sono meno frequenti.

Generatori di Calore: Il Cuore dell'Impianto

Il generatore di calore è essenziale per il funzionamento di un impianto di riscaldamento. Esistono molti modi e molti apparecchi per generare calore all’interno di un ambiente, garantendo le condizioni di comfort termico adeguato ad un’abitazione e tutti si basano sulla presenza di un generatore di calore. Progettare un impianto termico infatti significa, a seguito del calcolo dei carichi termici della struttura, scegliere la tipologia di generatore di calore più adatta e di seguito dimensionarla e dimensionare le reti di distribuzione dell’impianto stesso.

Il generatore di calore è il fulcro dell’impianto di riscaldamento: è capace di soddisfare il fabbisogno di riscaldamento degli ambienti trasferendo energia termica al fluido termovettore.

Leggi anche: Dimensionamento Pompa di Calore Daikin

I generatori di calore possono essere classificati in funzione:

• della fonte energetica utilizzata per produrre calore (come gas, elettricità o biomassa);
• dello stato in cui il combustibile utilizzato è reso disponibile (gassoso/liquido/solido nel caso delle caldaie);
• della modalità di installazione;
• del fluido termovettore in uscita dal generatore e che circola nell’impianto, generalmente aria o acqua.

Il luogo in cui il generatore viene installato sovente prende il nome di “centrale termica”, nel caso di strutture pubbliche e terziarie queste possono essere vere e proprie stanze dedicate solo al generatore. Mentre, nel caso delle civili abitazioni, la centrale termica spesso coincide con ripostigli, lavanderie o balconi.

Tipologie di Generatori di Calore

I generatori di calore più diffusi sul mercato sono:

1. La caldaia
2. L’impianto a biomassa
3. La pompa di calore
4. Il sistema ibrido

1. Caldaia

La caldaia è il generatore di calore più comunemente utilizzato nelle abitazioni. Essa permette la generazione ed il trasferimento di energia termica al fluido termovettore grazie alla combustione di vari prodotti. Il combustibile reagisce con l’ossigeno contenuto nell’aria atmosferica e genera una reazione chimica di ossidazione, producendo calore e prodotti gassosi di combustione.

Possono essere classificate in funzione:

Leggi anche: Calcolo della potenza assorbita da una pompa di calore

• del combustibile utilizzato:
  • Generatore a metano: possono essere a camera aperta o stagna e necessitano di una rete di distribuzione di gas metano nelle vicinanze. Ingombrano poco, generalmente se ne preferisce l’installazione all’esterno e sono economici.
  • Generatori a GPL: rappresentano una valida soluzione dove non arriva il gas metano, ma richiedono uno spazio dedicato e sicuro per il serbatoio di stoccaggio del Gas Propano Liquido. Il GPL è considerato pulito e non inquinante. Il compito di una caldaia a GPL è quello di mantenere la potenza della miscela di gas e aria costante, assicurando così standard elevati di rendimento.
  • Generatori a gasolio: sono impiegate dove risulta difficile reperire altri combustibili. Sono generalmente caratterizzate da emissioni più alte e rendimenti più bassi, di contro il costo del combustibile è estremamente ridotto. Necessitano di uno spazio dedicato per il serbatoio di stoccaggio del combustile che a volte può anche essere incorporato.
  • Generatori elettrici: non hanno il bruciatore, ma utilizzano delle resistenze elettriche per riscaldare acqua, che va all’impianto, oppure aria, che poi viene trasferita e direzionata attraverso un ventilatore.
• dell’evacuazione dei prodotti di combustione:
  • Il generatore di tipo A, detto anche a camera aperta, non è collegato ad un condotto per l’evacuazione di fumi, ciò significa che prende l’aria dal locale in cui è inserita ed espelle i prodotti di combustione nello stesso locale.
  • Il generatore di tipo B è sempre a camera aperta, e quindi preleva l’aria dal locale in cui è inserito, ma presenta un condotto di evacuazione dei fumi che espelle i prodotti di combustione all’esterno. Il tiraggio può essere naturale o forzato, in questo secondo caso è un ventilatore a garantire l’espulsione dei fumi.
  • Il generatore di tipo C chiamato anche a camera stagna o a tiraggio forzato, possiede una camera di combustione isolata. Ormai tutte le caldaie a condensazione in commercio sono di questo tipo.
• della gestione del calore: si hanno generatori a temperatura costante se, per l’appunto, quando sono in funzione mantengono una temperatura fissa oppure generatori a temperatura variabile, che si attivano in funzione della richiesta e delle condizioni climatiche. Questi ultimi caratterizzati generalmente da valori di efficienza più alti.

Nel corso degli anni si è passato ad un uso massivo della caldaia a gas fino all’uso della caldaia a condensazione, visto il suo rendimento molto più alto. Le caldaie a condensazione sono generatori progettati per massimizzare l’efficienza energetica recuperando energia dai fumi di scarico. In queste caldaie, il vapore acqueo presente nei fumi viene raffreddato fino al punto di rugiada, trasformandolo così in condensa. Questo processo permette di recuperare energia latente che viene utilizzata per riscaldare l’acqua destinata al sistema di riscaldamento o alla produzione di acqua calda sanitaria.

2. Caldaie a Biomassa

Con una caldaia a biomassa si produce energia termica rinnovabile dalla combustione della biomassa, materiali residui e di scarto di origine biologica e vegetale. I generatori di questa categoria più diffusi sono le caldaie a pellet o a cippato: entrambi trovano origine dagli scarti della lavorazione del legno non trattato, ma il pellet si origina dalla pressatura di questi scarti, una volta essiccati, mentre il cippato semplicemente triturato e trasformato in pezzi uniformi di piccole dimensioni.

Una caldaia a biomassa permette la generazione di energia termica rinnovabile perché, se bruciato correttamente, il legno emette la stessa quantità di anidride carbonica assorbita dalla pianta durante la sua formazione, quindi non altera l’equilibrio ambientale.

3. Pompa di Calore

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un sistema a temperatura più alta. La pompa di calore preleva calore da una fonte naturale, l’aria, l’acqua o il terreno per trasferirlo all’ambiente da condizionare. Si configura come un circuito chiuso, composto da quattro componenti: un compressore, un condensatore, una valvola di espansione ed un evaporatore.

Il rendimento di una pompa di calore elettrica (denominato COP) è sempre superiore a quello di una caldaia a gas, questo generatore, infatti, si configura come una soluzione sostenibile ed in grado di ridurre i consumi energetici riuscendo a soddisfare tutte le esigenze di climatizzazione, eventualmente anche quella estiva.

4. Sistema Ibrido

Un impianto ibrido combina due generatori di calore: una pompa di calore ed una caldaia a condensazione. La prima, generalmente alimentata elettricamente, mentre la seconda, alimentata a metano o GPL. Avere due generatori di calore significa scegliere in ogni momento il funzionamento più conveniente, proprio grazie alla presenza di un dispositivo di controllo e regolazione che dà priorità ad una macchina rispetto ad un’altra in funzione delle reali esigenze di riscaldamento e delle condizioni esterne.

Questo impianto si adatta bene a qualsiasi situazione climatica, inoltre può essere collegato direttamente all’impianto esistente, prevedendo solo la sostituzione del precedente generatore di calore.

Tipicamente, con temperature esterne alte a funzionare è solo la pompa di calore, via via che ci si avvicina a temperature prossime allo 0 il sistema funziona in maniera combinata, con l’attivazione sia della pompa di calore che della caldaia a condensazione, per temperature molto rigide invece funziona solo la caldaia a condensazione. In questo modo si va a minimizzare il consumo di gas ed energia elettrica ed a ridurre contestualmente le emissioni di CO2, ottenendo vantaggi economici e ambientali.

Come Scegliere un Generatore di Calore

Per scegliere adeguatamente il generatore di calore è importante considerare una serie di aspetti importanti:

• Caratteristiche dell’edificio: le dimensioni, l’orientamento e la conformazione strutturale influenzano molto il comportamento energetico di un edificio ed il raggiungimento di determinati livelli di comfort interno. Di conseguenza ci sono impianti più adatti ad alcuni ambienti ed altri meno, sviluppare un’analisi ed un calcolo termico, con un software per la certificazione energetica, è molto importante per determinare la potenza del generatore necessaria a garantire il giusto fabbisogno termico all’abitazione.
• Tipologia di intervento: se si sta realizzando una costruzione ci saranno sicuramente molti meno vincoli di carattere pratico rispetto a quelli presenti in un intervento di ristrutturazione. Nel primo caso è possibile scegliere un generatore di ultima generazione che garantisce livelli prestazionali molto elevati, nel caso della ristrutturazione invece, a meno che se non si tratti di una ristrutturazione importante di primo livello, spesso la scelta del generatore è vincolata dall’impianto di distribuzione, dai terminali di emissione esistenti e dagli spazi disponibili.
• Fonte energetica disponibile: le tipologie di generatori cambiano in funzione del vettore energetico che si vuole utilizzare. Gas, energia elettrica o biomassa, la scelta spesso è dettata dalla disponibilità in loco e dai costi.

Sistemi di Combustione Avanzati

La combustione è ancora ampiamente alla base della produzione del calore nell'industria. Trattando combustibili fossili è importante renderne efficace l'utilizzo per consentirne una elevata economicità ed una riduzione dell'impatto ambientale. L'industria manifatturiera necessita, in molti casi, di vapore per i propri processi produttivi e per servizi vari di stabilimento. Generalmente, il vapore da prodursi in diversi settori industriali, come ad esempio quello alimentare, viene generato da caldaie ad alta pressione (12-15 bar) seppure non manchino applicazioni a pressione assai inferiore (0.5-1 bar). La media pressione è tipica, invece, anche di altre applicazioni nell'ambito dell'industria alimentare, delle bevande e della macellazione. Altri impieghi si ritrovano nelle lavanderie industriali e negli ospedali (sterilizzazione con vapore a perdere) come nelle cantine vinicole.

La capacità produttiva dei generatori può variare da meno di una tonnellata all'ora fino a 20-25 tonnellate/ora, presentando una configurazione a "tubi di fumo" per le potenze inferiori mentre sono del tipo a "tubi d'acqua" per le potenzialità maggiori. Quelli che in passato venivano chiamati semplicemente bruciatori, in realtà ora sono veri e propri sistemi di combustione, con la responsabilità di fornire energia termica in modo controllato garantendo sempre una elevata efficienza energetica ed un limitato impatto ambientale.

Bruciatori Premiscelati

I bruciatori basati sulla tecnologia della premiscelazione costituiscono una importante innovazione in questo settore, sviluppata nell'arco degli ultimi anni, e sono sostanzialmente diversi dai bruciatori a combustione tradizionale (bruciatori a fiamma diffusiva). I bruciatori convenzionali, detti "soffiati" o a "fiamma diffusiva" il gas e l'aria vengono miscelati, per effetto di opportuni dispositivi, nella parte terminale della testa di combustione. A valle di questa la miscela dà origine alla fiamma, che così originata, si sviluppa in lunghezza occupando un volume di ingombro dalle dimensioni variabili in funzione della potenza bruciata.

Nei bruciatori di gas premiscelato la miscelazione dell'aria con il gas avviene a monte della testa di combustione. La miscela viene successivamente spinta all'interno della testa di combustione, costituita da una superficie forata (piana o cilindrica); attraverso i fori superficiali della stessa esce verso l'esterno dove viene bruciata. La fiamma si sviluppa quindi sulla superficie esterna della testa con un ingombro pari a quello della testa stessa, sfruttando al meglio l'effetto radiante che mantiene ad una temperatura relativamente più bassa rispetto ad una fiamma convenzionale.

La testa di combustione è costituita da un cilindro in lamiera metallica, ad alta resistenza termica, sulla cui superficie sono praticati numerosi fori. La miscela aria-gas viene spinta all'interno del cilindro, detto anche supporto, ed attraverso i fori perimetrali fuoriesce verso l'esterno della testa. L'inizio della combustione avviene attraverso l'accensione della miscela ad opera di una scintilla generata da uno o più elettrodi. La geometria dei fori superficiali del supporto è studiata appositamente affinché in tutto il range di modulazione la velocità di uscita della miscela sia sempre superiore a quella di ritorno di fiamma, per evitare qualsiasi condizione di lavoro non sicura. Il supporto è avvolto da una maglia metallica, ottenuta attraverso la lavorazione di una speciale lega metallica realizzata con componenti che ottimizzano la resistenza alle sollecitazioni termiche; costituisce l'elemento fondamentale della testa di combustione in quanto capace di migliorarne notevolmente le prestazioni.

Questa tecnologia consente di ottenere ottimi valori di emissione in atmosfera, al di sotto dei limiti imposti dalle normative europee; inoltre consente una elevata intensità di combustione, pari a 2.5 MW/m3 a fronte di valori medi comuni di circa 1 MW/m3. La struttura compatta della fiamma premiscelata consente l'abbinamento con camere di combustione dalle dimensioni contenute, appositamente studiate per sfruttare questa caratteristica. Un ulteriore vantaggio derivante è la contenuta rumorosità della fiamma, che si traduce in una limitata emissione sonora al camino, con evidenti vantaggi di comfort, particolarmente per gli impianti situati presso centri abitati.

Regolazione Automatica Continua dell'Ossigeno

La diffusione di questi sistemi di riduzione delle emissioni degli ossidi di azoto ha in effetti comportato lo sviluppo contemporaneo e combinato dei sistemi di controllo dell'O2. La regolazione dell'ossigeno residuo (contenuto di O2) dei fumi ha il compito di mantenere invariata la miscela di combustibile e aria comburente sul valore ottimale impostato all'avviamento del bruciatore del generatore di calore. Mediante la misurazione del contenuto di O2 nei fumi, infatti, ed il conseguente intervento di un dispositivo di regolazione, possono venire rilevati e compensati tutti i fattori di disturbo che influenzano nel tempo la composizione della miscela combustibile/aria, quali, ad esempio, variazioni della temperatura del combustibile, del potere calorifico, della contropressione al focolare.

Uno dei sistemi più affidabili per la misura dell'ossigeno è costituito dalle sonde all'ossido di zirconio, ad inserzione diretta nel camino. Le sonde all'ossido di zirconio sono piuttosto affidabili, precise nella misura e dotate di una risposta quasi istantanea. Il sensore è costituito da una cella di ZrO2, stabilizzato all'Ittrio, le cui superfici opposte, che fungono da elettrodi, sono ricoperte da platino poroso. Tra i due elettrodi all'ossido di zirconio, uno a contatto con l'aria pura e l'altro con il campione da analizzare, si stabilisce una differenza di potenziale, direttamente legata alla concentrazione di ossigeno da misurare; tale segnale viene elaborato ed inviato agli strumenti di lettura.

Ricircolo dei Fumi (FGR)

Noto internazionalmente con l'acronimo FGR (Flue Gas Recirculation). Si tratta di un sistema diffusamente utilizzato nel mondo tale da poter garantire bassi livelli di emissione di NOx, in grado di soddisfare i limiti di legge più restrittivi. Il principio di funzionamento consiste nel far ricircolare una parte dei fumi esausti prelevati a valle della caldaia, e di reintrodurli in corrispondenza dell'ingresso dell'aria di combustione del bruciatore.

Un sistema integrato di gestione del bruciatore (BMS, Burner Management System), attraverso l'azione di attuatori (servomotori) indipendenti, rende possibile il controllo delle corrette quantità di aria, di combustibile e del fluido ricircolato in ogni condizione di lavoro. Ciò deve consentire il raggiungimento di bassi livelli di emissioni pur garantendo un elevato livello di affidabilità e di sicurezza delle apparecchiature in funzionamento. La maturità di questa tecnologia (le prime applicazioni risalgono ai primi anni 90 del Novecento) hanno consentito ai costruttori di integrare in un unico sistema monoblocco molte delle funzioni necessarie al funzionamento. Ciò ha consentito una ottimale integrazione dei componenti per il raggiungimento delle condizioni ideali durante il funzionamento continuamente modulante. Ulteriore risultato della integrazione è la riduzione delle dimensioni e la facilità di intervento per sostituzioni o manutenzione.

In contrapposizione ai benefici sopra elencati, occorre rilevare che la scelta di spingere il ricircolo oltre certi limiti può provocare una riduzione della potenza resa dal generatore di calore, e ciò principalmente in relazione alla diminuita quantità di ossigeno introdotto. Ad ogni modo le performance di abbattimento degli inquinanti sono elevatissime e possono assestarsi nell'ordine del 30 mg/kWh di Ossidi di Azoto.

L'utilizzo di un combustibile fossile per la produzione del calore ad uso dell'industria comporta una grande attenzione nel contenere le emissioni in atmosfera. I progressi nel settore dei bruciatori di gas naturale sono stati sensibili nell'arco degli ultimi anni, grazie a nuove tecnologie che hanno ripensato i principi stessi del funzionamento dei bruciatori.

tags: #sviluppa #potenza #dal #calore #combustibili #speciali