COSTER T.E. S.p.A.

• Controllo delle prestazioni dell’impianto

Le prestazioni dell’impianto vengono stabilite in base ai risultati di prove di combustione ottenuti con apposite apparecchiature. La procedura per effettuare le prove di combustione e quindi per misurare in opera il rendimento di combustione e' descritta nella norma UNI 10389/94.

Per misurare il rendimento bisogna conoscere come avviene la combustione nel bruciatore e quindi conoscere il funzionamento della caldaia.

La caldaia e' quel componente in cui, grazie alla combustione (reazione chimica di ossidazione tra comburente e combustibile) energia chimica di legame e' convertita in energia interna nella camera di combustione. Questa energia riscalda i gas della fiamma del bruciatore, componente in cui viene miscelato il comburente (aria) col combustibile (nel nostro caso metano).

L’energia liberata dalla reazione viene trasmessa in parte all’acqua, in parte viene persa nei fumi scaricati in atmosfera. Una percentuale dell’energia utile ai fini del riscaldamento viene ceduta all’ambiente attraverso il mantello.  La portata d’acqua viene riscaldata quindi dalla temperatura T_i alla temperatura T_u.

La principale reazione di combustione riguarda l’ossidazione del carbonio, elemento presente in alte percentuali nei combustibili. Il comburente e' l’ossigeno, ma in realtà ciò che entra in camera di combustine non questo elemento puro: e' l’aria, costituita convenzionalmente dal 21% in volume di ossigeno e dal 79% in volume di azoto.

Affinché il processo di combustione sia completo si fa in modo che la reazione avvenga con eccesso di aria (normalmente tra il 10-20%).

Se il processo di combustione non e' completo, nei fumi e' presente CO, nei casi più negativi anche parti di combustibile. Ciò e' più probabile negli impianti a combustibili liquidi o solidi.  La norma 10389 non riguarda gli impianti alimentati a combustibile solido e di processo.

Una combustione incompleta, implica un minor rendimento della caldaia e l’insorgere di nuove reazioni i cui prodotti di combustione possono essere molto nocivi; si può distinguere infatti una combustione ben regolata da una combustione mal regolata:
nella combustione ben regolata la fiamma si presenta trasparente, di colore azzurro, corta, silenziosa, ben aderente al bruciatore, priva di fumosità: la combustione del gas dà luogo principalmente alla formazione di anidride carbonica  (CO₂) e vapore d’acqua.
Nella combustione mal regolata la fiamma si presenta lunga, fluttuante, luminosa, nei casi più gravi fumosa all’estremità come quella di una candela: in condizioni  di difetto di ossigeno (cattivo tiraggio, fori di ventilazione mancanti o inadeguati, bruciatore non tarato) e ad alte temperature nella camera del bruciatore la combustione del gas dà luogo alla formazione del monossido di carbonio (CO), gas estremamente pericoloso poiché inodore ed incolore, ma tossico (il suo effetto tipico iniziale e' una comune sonnolenza) che può rivelarsi mortale per esposizioni prolungate anche a bassissime concentrazioni. La combustione deve quindi avvenire in eccesso di ossigeno, ovvero di aria.

Principalmente nei fumi sono presenti anidride carbonica e acqua, derivanti dall’ossidazione del carbonio e dell’idrogeno, oltre all’azoto presente nell’aria comburente e inerte durante il processo. La potenza termica trasferita all’acqua proviene dall’energia chimica del combustibile (energia spesa) depurata dalle perdite dovute al contenuto entalpico dei fumi, potenza termica persa al camino.

La potenza termica utile resa al fluido (potenza netta incamerata dall’acqua nel suo passaggio in caldaia) e' data dalla differenza tra quella al focolare (prodotto tra la portata e il PCI) e la potenza termica persa al mantello. La perdita ai fumi (10%) e' molto maggiore rispetto quella al mantello (1%) che perciò viene trascurata.

Per ridurre le perdite occorre trovare il giusto compromesso tra esigenze contrastanti: si potrebbe ridurre l’eccesso di aria, ma questo potrebbe causare un aumento delle perdite dovute alla combustione non completa e incidere sull’inquinamento ambientale e sulla sicurezza del componente. Per contenere l’entalpia specifica dei fumi, si potrebbe ridurre la temperatura in uscita dalla camera di combustione, ma anche questo e' possibile solo in una certa misura perché per legge bisogna garantire un corretto tiraggio al camino, inoltre potrebbero insorgere problemi per la possibile presenza di acqua nei prodotti della combustione. Infatti l’acqua liquida si combina con lo zolfo contenuto nei combustibili dando luogo ad acido solforico che corrode le parti metalliche della caldaia. Nelle caldaie tradizionali il recupero di energia conseguente alla condensazione del vapor d’acqua non viene attuato, sicché l’energia chimica liberata dal combustibile viene depurata della aliquota, di fatto persa, relativa alla vaporizzazione del vapor d’acqua e ci si riferisce così al potere calorifero inferiore (PCI). Esistono caldaie con scambiatori costruiti con materiali resistenti agli acidi e dette caldaie a condensazione. Gli scambiatori di queste caldaie sono dimensionati affinché i fumi siano raffreddati fino a 50°C contro i circa 100°C delle caldaie tradizionali; questo comporta che l’energia persa al camino e al mantello sia minima, inoltre si recupera il calore di condensazione dei fumi. I bilanci estesi al VC che racchiude la camera di combustione e a quello contenente l’acqua sono:

m_c+m_a=m_f  ;  Q =m_c(h_c + e_chim)+m_a h_a – m_f h_f @m_c e_chim –m_f h_f

        m_i=m_u=m  ;    Q_u= Q-Q_amb=m(c(T_u-T_i)+ Dp/r)@C(T_u-T_i)

Queste due equazioni, note le portate massiche e le condizioni in ingresso al componente, non consentono la determinazione della potenza utile trasferita all’acqua. Per caratterizzare le perdite in caldaia, bisogna introdurre altre informazioni e per questo si introduce  il rendimento utile della caldaia come rapporto tra la potenza trasferita all’acqua (effetto utile) e la spesa sostenuta per ottenere tale effetto, legata al combustibile impiegato, m_c PCI (potenza termica del focolare):

h_caldaia= Q_u/(m_c PCI)

Utilizzando questa equazione e le due precedenti e' possibile calcolare l’entalpia dei fumi, la temperatura dell’acqua in uscita e la potenza termica scambiata.

Il rendimento dipende da molti fattori, ma in maniera preponderante dall’eccesso d’aria e dalla temperatura media di funzionamento, cui sono strettamente legate le perdite. Il costruttore fornisce il rendimento calcolato tramite prove standard ( h@ 0.9) per caratterizzare termicamente la caldaia.

In condizioni di funzionamento parziale si ha un abbattimento del rendimento, per tale motivo, per impianti di potenza superiore a 350 kW,  la normativa impone la ripartizione della potenza complessiva su più caldaie e dei valori minimi per il rendimento in condizioni di carico pari al 30%.

Esistono bruciatori monostadio, bistadio, bistadio proporzionali e modulanti.

I primi e i secondi, fissata la temperatura dell’acqua in uscita, hanno una regolazione di tipo on-off; cioe' o sono accese alla potenza nominale massima o sono spente.

I generatori bistadio proporzionali inseriscono il secondo stadio in maniera proporzionale regolando aria e combustibile.

In quelli modulanti il funzionamento in seconda fiamma può assumere un valore qualsiasi tra la prima e la seconda fiamma.

In genere, la prima fiamma  e' al 40%. La regolazione e' continua tra la potenza nominale massima e la minima; quest’ultima e' il 25% della massima.

La modulazione avviene variando la portata di combustibile che, nelle caldaie a gas, si ottiene con una variazione della pressione del gas negli ugelli. In quest’ultimo caso il rendimento di combustione varia al variare della potenza, ma ,visto che questa variazione e' piccola, sene può considerare un solo valore.

La norma UNI 10389, sulla misurazione in opera del rendimento di combustione, in applicazione del D.P.R. 412/93 e della Legge 10/91, richiede che vengano misurati periodicamente, la portata del combustibile, la temperatura dell’aria comburente, la temperatura dei fumi e il loro contenuto di CO₂ e di CO. Conoscendo la portata si risale direttamente alla potenza termica nominale fornita dal combustibile. Le misure della temperatura dei fumi, dell’aria ambiente e del contenuto di CO₂ dei fumi vengono correlate alla potenza termica persa nei fumi. Si può quindi calcolare il rendimento utile convenzionale di combustione, definito in riferimento alle sole perdite al camino. Il rendimento misurato deve essere inferiore al valore della norma che varia in funzione  della potenza nominale della caldaia. La misura del CO nei fumi, infine, indica la bontà della combustione; la norma fissa un preciso limite superiore al disotto del quale la combustione e' da considerarsi incompleta.

•  Norma UNI 10389/94

La norma UNI 10389 descrive la procedura di misurazione in opera del rendimento di combustione.

Dal DPR 26 agosto 1993, n. 412 (G. U. n.96 del 14/10/1993) (REGOLAMENTO RECANTE NORME PER LA PROGETTAZIONE, L’INSTALLAZIONE, L’ESERCIZIO E LA  MANUTENZIONE DEGLI IMPIANTI TERMICI) prendiamo alcune delle definizioni utili a definire varie grandezze. Secondo l’art.1 comma1si intende:

q) per “valori nominali” delle potenze e dei rendimenti di cui ai punti successivi, quelli dichiarati e garantiti

    dal costruttore per il regime di funzionamento continuo;

r) per “potenza termica del focolare” di un generatore di calore, 

     il prodotto del potere calorifico inferiore del combustibile impiegato e della portata di combustibile

    bruciato (m³/h rilevati ad esempio dal contatore); l’unità di misura utilizzata e' il kW;

  s) per “potenza termica convenzionale” di un generatore di calore, la potenza termica del focolare diminuita

      della potenza termica persa al camino; questa potenza non rappresenta la potenza effettivamente ceduta al

      fluido termovettore (acqua o aria) in quanto non tiene conto delle perdite della caldaia nell’ambiente in cui

      si trova; l’unità di misura utilizzata e' il kW;

  t) per “potenza termica utile” di un generatore di calore, la quantità di calore trasferita nell’unità di tempo al

     fluido termovettore, corrispondente alla potenza termica del focolare diminuita della potenza termica

     scambiata dall’involucro del generatore con l’ambiente e della potenza termica persa al camino; l’unità di

     misura utilizzata e' il kW;

 u) per “rendimento di combustione”, sinonimo di “rendimento termico convenzionale” di un

     generatore di calore, il rapporto tra la potenza termica convenzionale e la potenza termica del

     focolare;

 v) per “rendimento termico utile” di un generatore di calore, il  rapporto  tra la potenza termica utile e la

      potenza termica del focolare.

La norma UNI 10389 prende dettagliatamente in esame le procedure per l’analisi di combustione e la misura del rendimento in opera di generatori di calore di potenza termica nominale superiore a 4 kW, inseriti in impianti destinati al riscaldamento di ambienti o alla produzione centralizzata di acqua calda sanitaria. Quindi si escludono gli impianti di processo.

Parametri di combustione.

-  Temperatura gas combusti: °C. da misurarsi con termometro di precisione di +/-5°C.

-  Temperatura aria comburente: °C, da misurarsi con termometro di precisione di +/-2°C.

-  O₂ (ossigeno) oppure CO₂ (anidride carbonica):% (percentuale in volume nei fumi); e' previsto che questa seconda grandezza possa essere calcolata derivandola dalla misura dell’ossigeno, come vedremo in seguito.

-  CO (monossido di carbonio): ppm (parti per milione in volume nei fumi): misura che e' possibile effettuare attraverso qualsiasi sistema presente sul mercato: fialette, infrarossi, celle elettrochimiche, etc.

-  Indice di fumosità (solo per combustibili liquidi)

Verifica della potenza al focolare

Impianti a combustione gassoso.

UNI 10389, al cap. 5.6.1: rilevare dal contatore volumetrico di impianto la portata del gas in m³/h; (leggere sul contatore la differenza tra due letture dopo due minuti e moltiplicare per 30).

Se contatore volumetrico e' assente, assumere come potenza quella dichiarata dal costruttore.

La potenza termica del focolare si ottiene moltiplicando la portata del gas per i seguenti fattori convenzionali:

a)     gas naturale (metano):

-  9,60 per ottenere kW

-  8250 per ottenere kcal/h

b)    gas di petrolio liquefatti:

-  31.4 per ottenere kW

-  27000 per ottenere kcal/h.

Prelievo dei gas combusti.

UNI 10389, al cap. 5.1: i prodotti della combustione debbono essere prelevati per l’analisi in un punto opportuno del camino; analisi effettuate con punti diversi non danno infatti i medesimi risultati. I prodotti della combustione vanno prelevati da un foro che occorre praticare nel condotto di evacuazione (a valle di eventuali dispositivi rompitiraggio-antivento) ad una distanza dall’uscita del generatore di calore pari a due volte il diametro interno del condotto.

Se all’interno di questa distanza il condotto presenta una curva, il foro va praticato dalla fine della curva pari a un diametro.

Se il condotto di evacuazione e' parte integrante del generatore di calore,il foro può essere praticato solo su autorizzazione del fabbricante, che deve rilasciare le opportune istruzioni in merito.

Ove sia possibile operare come prescritto dalla norma, l’analisi di combustione non può essere effettuata. Il foro va sempre richiuso con apposito tappo.

Aria comburente.

Cap. 5.2: la misura della temperatura dell’aria comburente deve essere effettuata nei pressi della bocca di aspirazione (generatori ad aria soffiata o ad aria aspirata con camera di combustione aperta, a tiraggio naturale o forzato), in un punto opportuna del condotto di alimentazione, quanto si tratta di generatori di calore con camera di combustione stagna, a tiraggio naturale o forzato: ricordiamo che in questi generatori i condotti di aspirazione e di evacuazione possono essere concentrici o separati.

Fluido termovettore in mandata.

Per i generatori ad acqua calda, con l’impianto che eroga la massima potenza termica effettiva al focolare, la norma, al cap. 5.4, prescrive di effettuare la misura della temperatura di mandata tramite pozzetto di misura sul circuito dell’acqua per impianti di potenza superiore a 35 kW. Per impianti con potenza inferiore a 35 kW, il valore della temperatura si rileva sul termometro di caldaia.

La misura va riportata sul libretto di impianto (impianti con potenza <35kW) o di centrale (impianti con potenza >35kW).

Per i generatori di calore ad aria calda, la misura di temperatura del fluido non e' prescritta.

Strumentazione occorrente per l’analisi della combustione

Sostanzialmente, le misure da effettuare sono: valori di temperature (dell’aria ambiente e dei fumi); concentrazioni di O₂ (oppure in alternativa di CO₂) e di CO presenti nei fumi.

Le precisioni di misura richieste per i vari strumenti sono:

-  termometro per la misurazione della temperatura dell’aria comburente (intervallo di misura –10 a +50°C, incertezza di lettura +/- 2°c).

-  termometro per la misurazione della temperatura prodotti della combustione (intervallo di misura 0 a +500°C, incertezza di lettura +/- 5°c).

-  termometro per la misurazione della temperatura del fluido in caldaia (intervallo di misura 0 a +200°C, incertezza di lettura +/- 2°c).

-  analizzatore di ossigeno O₂ (campo di misura 0 a 21%, incertezza di lettura +/- 0.5); oppure analizzatore di anidride carbonica CO₂ (campo di misura 0 a 16%, incertezza di lettura +/- 0.5).

-  analizzatore di monossido di carbonio CO (campo di misura 0 a 4000ppm, incertezza di lettura +/- 20ppm fino a 400ppm, +/-0.5 del valore misurato per concentrazioni maggiori).

Come abbiamo già riferito la misurazione in opera del rendimento di combustione si effettua alla massima potenza effettiva del focolare, nelle condizioni di normale funzionamento del generatore.

Calcolo del rendimento di combustione.

La potenza termica persa al camino si ricava con le seguenti formule convenzionali:

Q_s= { B+[A₁/(21-O₂)] }(T_f -T_a)

nel caso di misurazione della concentrazione dell’ossigeno nei prodotti della combustione;

Q_s = [ B+(A₂/CO₂)] (T_f -T_a)

nel caso di misurazione della concentrazione dell’anidride carbonica nei prodotti della combustione, dove:

Q_s          rappresenta     la perdita ai fumi, in per cento;

T_f              //                la temperatura dei fumi, in gradi centigradi;

T_a          //                 la temperatura dell’aria comburente in °C;

O₂          //                 la concentrazione di ossigeno nei fumi secchi, in %;

CO₂       //                 la concentrazione di anidride carbonica nei fumi secchi,%;

A₁, A₂, B                  sono i coefficienti, dati dal prospetto, per i diversi combustibili.

Prospetto. Coefficienti per il calcolo del rendimento di combustione.

IL valore di Q_s ottenuto, deve essere arrotondato alla prima cifra decimale.

Il rendimento di combustione del generatore riferito alla potenza termica del focolare alla quale e' stata effettuata la misurazione, e' dato da:

h =100-Q_s

La norma UNI 10389 al cap. 6 riporta le indicazioni di calcolo per riportare il valore di CO misurato al valore di CO sui fumi secchi senz’aria in eccesso.

CO_u =CO·21/(21-O₂)

Dove CO_u e' il CO con O₂ a zero, CO e' il CO misurato, O₂ e' l’ossigeno in eccesso misurato.

Se l’analizzatore misura la concentrazione di CO₂ anziché quella di O₂:

CO_u = CO·CO_2t/CO_2m

Dove CO_2t e' la concentrazione di CO₂ massima ottenibile da una combustione stechiometrica, CO_2m e' la concentrazione di CO₂ misurata.

La concentrazione di CO_2t per diversi combustibili e' riportata qui di seguito.

- gas naturale: 11,7

- gasolio: 15,1

- GPL: 13,9

- Olio combustibile: 15,7.