recupero termico caldaia a condensazione

[Berto]

....ho provato a calcolare il recupero termico nei fumi in %, mi potete aiutare a correggere l'eventuale errore? grazie
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O
1 + 4 = 2,75 + 2,25 (in massa)
da cui l'aria teorica di combustione sarà (4 * 4,348 * 0,71) = 12,34/1,29 = 9,57 Nm3
considerando i fumi teorici circa 10 m3/Nm3 CH4, ed avendo lo scarico fumi a 40°C (di scarico della caldaia a condensazione) il volume dei fumi sarà = 10 *(1+40/273,15) = 11,46 m3/m3CH4
da una tabella ho trovato che la solubilità dell'H2O nei fumi a 40°C è circa 0,05 kgH2O/m3fumi. Pertanto avremo che la max solubilità per ogni m3 di CH4 bruciato é: H2O tot in soluzione nei fumi 11,46 *0,05 = 0,573 kg H2O/m3 fumi.
quindi, sapendo che la massa teorica prodotta dalla combustione di 1 m3 di CH4 è 2,25 * 0,71 = 1,5975 kg H2O / m3 CH4 si avrà un recupero di condensa allo scarico dei fumi della caldaia pari a 1,5975 - 0,573 = 1,0245 kg di condensato.
Considerando che per convenzione 1 kg di vapore recuperato corrisponde a 600 kcal, avremo quindi 1,0245 kg H2O * 600 = 614,7 kcal
Considerando che il PCS del m3 di CH4 teorico con il 75% di C ed il 25% di H2, è (8130 * 0,75 + 34500 *0,25) * 0,71 kg/Nm3 di CH4 = 10452,97 kcal/Nm3mCH4
Avremo cosi un recupero energetico, considerando lo scarico dei fumi in atmosfera di 40°C pari ha: (614,7 * 100) / 10452,975 = 5,88%. (ho volutamente trascurato di incrementare la pressione allo scarico), nel qual caso se considero un incremento della pressione ad esempio a 10 mbar nei fumi avremo V2 (10 mbar) = 1/1+(10/1000) * V1 = 11,46 * 1/1+(10/1000) = 11,346 m3 fumi a 10 mbar di pressione.
ritoccando i calcoli avremo 11,346 * 0,05 = 0,567 kg di H2O in soluzione
1,5975 - 0,567 = 1,0305 kg di condensato
1,0305 kg H2O * 600 = 618.3 kcal
Avremo cosi un recupero energetico, considerando lo scarico dei fumi in atmosfera a 40°C e 10 mbar di pressione pari ha: (618.3 * 100) / 10452,975 = 5,915%. Grazie scusate il casino e gli errori spero sia comprensibile ciao Roberto

[eliobono]

Il risparmio energetico di un generatore (relativo a cosa, un generatore esistente?) va fatto calcolando il Rendimento di Produzione Medio Stagionale del generatore come previsto dalla Legge 10/91 e s.m.i.

[ugo.testa]

Berto, mi hai fatto venire il mal di testa a seguire tutto il calcolo :
grazie dell'iniziativa, serve a non rincoglionirsi.
Dunque, ho seguito tutti i passaggi e mi sembrano ineccepibili. Solo un interrogativo mi sono posto. Quando vai a fare il volume totale dei fumi su cui calcoli l'acqua in soluzione , ecc, mi sono perso il volume originario del gas.
In pratica, se per bruciare 1 Nm3 di CH4 aggiungo 9,6 (arrotondato a 10) mc di aria, arrivo ad avere 11 Nm3 di fumi che alla temperatura di 40°C fanno ... 11*(1+40/273,15) = 12.54 m3 di fumi. O no?

Dove mi sono perso?
Grazie

[Berto]

si hai ragione ho arrotondato troppo, in effetti di solito si fa semplicemente così con l'aria teorica di combustione + 1 = 9,57 Nm3 + 1 = 10,57 m3 di fumi e, possiamo ricavare ciò anche attraverso il calcolo stechiometrico: 1 m3 CH4 + 2 m3 O2 => 1 m3 CO2 + 2 m3 H2O, da cui possiamo ricavare l'N2 sottraendo l'ossigeno utilizzato per la combustione (2 m3 di O2 * 3,785) = 7,57 m3 di N2 . Pertanto sommando i prodotti presenti nei fumi (ovviamente teorici e non in eccesso d'aria perchè si tratta di un calcolo teorico), avremo (1 m3 di CO2 + 7,57 m3 di N2 + 2 m3 di H2O) = 10,57 m3 di fumi.
.....pertanto il calcolo finale sarà: 10,57 * (1+40/273,15) = 12.118 m3 di fumi.
V2 (10 mbar) = 1/1+(10/1000) * V1 = 12,118 * 1/1+(10/1000) = 11,998 m3 fumi
11,998 * 0,05 = 0,5999 kg di H2O in soluzione
1,5975 - 0,5999 = 0,9976 kg di condensato
0,9976 kg H2O * 600 = 598,56 kcal
Avremo cosi un recupero energetico, considerando lo scarico dei fumi in atmosfera a 40°C e 10 mbar di pressione pari ha: (598,56 * 100) / 10452,975 = 5,726%.
....se non ho fatto qualche altro errore dovrebbe essere così, grazie 1000 per l'attenzione, vedi se ti quadra anche a te! ciao Roberto

P.S.: per rispondere anche alla citazione precedente, volevo precisare che ciò non ha alcuna pretesa ne presunzione in merito, vuole solo essere l'espressione personale di un calcolo per comprendere in linea teorica che differenza c'è nel recupero energetico tra un generatore che recupera parzialmente il calore di vaporizzazione scaricando i fumi a 40°C, rispetto ad un generatore che non recupera il calore di condensazione del vapore acqueo presente nei fumi.... tutto qui!

[ugo.testa]

Non ho ricontrollato il calcolo stechiometrico ma credo sia più che valido.

Un'altra domanda volevo farti:
quel 600 Kcal/Kg del calore recuperato, su che base è stato fissato per convenzione? Dal momento che il calore di vaporizzazione (se ben ricordo) è di 539? Immagino ci siano a fronte delle riflessioni che giustifichino l'approssimazione (non piccola). Se le conosci te ne sarei grato.
Ciao Ugo

[Berto]

ti rispondo con un esempio, la determinazione del PCI del CH4 teorico con il 75% di carbonio e il 25% d'idrogeno:
PCI = PCS - calore di condensazione dell'H2O di combustione = (8130 kcal/kg C * 0,75 kg C/ kg comb. + 34500 Kcal/ kg H2 * 0,25 kg H2/ Kg comb.) - (0,25 kg H2/kg comb. * 0,5 Kmol H2O/kg H2 * 18 kg H2/ Kmol H2 * 600 Kcal/ kg H2O) = 13372,5 Kcal/kg CH4

Questo esempio lo trovi su Pierini Andreini "Abilitazione alla conduzione di impianti termici".

....si può anche dire che 539 sono le Kcal necessarie per la condensazione della massa unitaria di H2O alla pressione atm (100°C) e la differenza può essere imputata al successivo sottoraffreddamento del condensato, dalle condizioni di saturazione ai 40°C considerati.

Cmq, se ricordo bene, esiste anche un riferimento normativo cosiderato nella raccolta "H", relativamente alla conduzione di generatori ad acqua surriscaldata, come metodo di calcolo per la determinazione della portata di AS prodotta dal generatore e, rapportata all'equivalente di produzione vapore, per l'abilitazione alla conduzione con il solo patentino per impianti termici di 2°. Ciao Roberto

[amadeus]

mi verrebbe da dire che in pratica l'aria di combustione non è mai quella stechiometrica - un certo eccesso d'aria è necessario per non avere incombusti - quest'aria in più entra nel calcolo perché aumenta la massa che devi riscaldare e la massa di vapor d'acqua contenuta nei fumi - non so se questo effetto influisce sui calcoli ma si potrebbe provare a tenere conto di un tenore di ossigeno residuo nei fumi pari al 3% in volume - a spanne l'aumento della massa d'aria e di fumi dovrebbe essere del 14% circa

[ugo.testa]

Da più parti in effetti si considerano per 1 mc di CH4 10 mc di aria (forse nelle caldaie a premiscelazione si può scendere ancora).
Per quanto alle 600 Kcal ok, forse hai ragione: scendendo di temperatura i fumi, e quindi anche l'acqua in essi contenuta, oltre al calore latente si recupera anche calore sensibile, ed è ragionevole fissarlo in via convenzionale in 60 Kcal/kg dal momento che le differenze di temperatura sono appunto dell'ordine dei 60 °C tra le caldaie tradizionali e quelle a condensazione.

[Berto]

considerando un tenore di O2 presente nei fumi del 3% con CO dell'ordine dei 20 o 30 ppm, quindi trascurabile, possiamo dire con buona approssimazione che l'eccesso d'aria presente nei fumi sarà: e = 1 / (1 - 0,048 * O2%) = 1 / (1 - 0,048 * 3) = 1,168 cioè 16,8% d'eccesso d'aria. Pertanto (9,57 Nm3 * 1,168) + 1 = 12,177 m3 di fumi
..... il calcolo finale sarà: 12,177 * (1+40/273,15) = 13,96 m3 di fumi.
V2 (10 mbar) = 1/1+(10/1000) * V1 = 13,96 * 1/1+(10/1000) = 13,822 m3 fumi
13,822 * 0,05 = 0,6911 kg di H2O in soluzione (così aumenta l'H2O che può rimanere in soluzione a 40°C avendo una maggiore portata di fumi allo scarico del generatore)
1,5975 - 0,6911 = 0,9064 kg di condensato
0,9064 kg H2O * 600 = 543,84 kcal
Avremo cosi un recupero energetico, considerando lo scarico dei fumi in atmosfera a 40°C e 10 mbar di pressione pari ha: (543,84 * 100) / 10452,975 = 5,203%.
L'eccesso d'aria è comunque necessario per avere una combustione completa con CO dell'ordine di qualche decina di ppm nei fumi, ma come vediamo almeno dal calcolo riduce la condensazione perchè parimenti aumenta la quantita di H2O che può rimanere in soluzione.
Non ultimo se vogliamo fare i certosini sarebbe anche da considerare l'umidità relativa dell'aria e la temperatura d'ingresso al generatore che influenza non poco la combustione e, quindi anche le emissioni in atm (i fumi) portando come conseguenza anche a variare la misura d'H2O di condensazione e quindi il recupero energetico.

A questo punto credo sia doveroso, pormi un'altro quesito!

La quota d'H2O presente nei fumi che "non condensa" perchè rimane in soluzione nei fumi in quel punto dello scarico fumi dove abbiamo ipotizzato che le condizioni siano 40°C e 10 mbar, vedi questultimo calcolo..., cioè (13,822 m3 fumi * 0,05 kg di H2O/m3 fumi) = 0,6911 kg di H2O in soluzione nei fumi,
...questa cioè l'H2O si trova sempre sotto forma liquida in soluzione e immagino nella forma finemente nebulizzata (infatti il fumo a questo punto appare bianco perchè contiene le goccioline d'acqua condensata in soluzione).
Se l'acqua fosse in soluzione sotto forma di vapore alla temperatura di 40°C dovrebbe trovarsi in depressione, infatti dalla tabella del vapore saturo vediamo che ad es. alla temperatura di 41,5°C l'H2O si trova allo stato di vapore alla pressione assoluta di 0,08 bar.
Concludendo se l'H2O si trova allo stato liquido in soluzione nei fumi a 40°C significa che ha ceduto le calorie di condensazione e si è sottoraffreddata fino a 40°C anche se è rimasta in soluzione nei fumi.
A questo punto il calcolo andrà così modificato sommando sia il calore recuperato dell'acqua condensata e raccolta, sia il calore recuperato dall'acqua anch'essa condensata ma rimasta in soluzione nei fumi:
(0,6911 kg di H2O in soluzione nei fumi * 600 kcal/ kg H2O) = 414,66 Kcal
(0,9064 kg H2O non in soluzione nei fumi * 600 kcal/ kg H2O) = 543,84 kcal
...da cui il recupero energetico dovuto alla condensazione del vapore acqueo nei fumi sarà: (414,66 Kcal + 543,84 kcal) * 100 / 10452,975 = 9,17%
Secondo Voi quale è la giusta soluzione ..... ciao Roberto

[Berto]

A questo punto credo sia doveroso, pormi un'altro quesito!

La quota d'H2O presente nei fumi che "non condensa" perchè rimane in soluzione nei fumi in quel punto dello scarico fumi dove abbiamo ipotizzato che le condizioni siano 40°C e 10 mbar, vedi questultimo calcolo..., cioè (13,822 m3 fumi * 0,05 kg di H2O/m3 fumi) = 0,6911 kg di H2O in soluzione nei fumi,
...questa cioè l'H2O si trova sempre sotto forma liquida in soluzione e immagino nella forma finemente nebulizzata (infatti il fumo a questo punto appare bianco perchè contiene le goccioline d'acqua condensata in soluzione).
Se l'acqua fosse in soluzione sotto forma di vapore alla temperatura di 40°C dovrebbe trovarsi in depressione, infatti dalla tabella del vapore saturo vediamo che ad es. alla temperatura di 41,5°C l'H2O si trova allo stato di vapore alla pressione assoluta di 0,08 bar.
Concludendo se l'H2O si trova allo stato liquido in soluzione nei fumi a 40°C significa che ha ceduto le calorie di condensazione e si è sottoraffreddata fino a 40°C anche se è rimasta in soluzione nei fumi.
A questo punto il calcolo andrà così modificato sommando sia il calore recuperato dell'acqua condensata e raccolta, sia il calore recuperato dall'acqua anch'essa condensata ma rimasta in soluzione nei fumi:
(0,6911 kg di H2O in soluzione nei fumi * 600 kcal/ kg H2O) = 414,66 Kcal
(0,9064 kg H2O non in soluzione nei fumi * 600 kcal/ kg H2O) = 543,84 kcal
...da cui il recupero energetico dovuto alla condensazione del vapore acqueo nei fumi sarà: (414,66 Kcal + 543,84 kcal) * 100 / 10452,975 = 9,17%
Secondo Voi quale è la giusta soluzione ..... ciao Roberto

[Berto]

[attachment=1]474.gif[/attachment]

In rete (WWW. ....) si trovano diverse citazioni in merito al problema della condensazione dell'acqua nei fumi di una caldaia a condensazione, tra le quali ecco alcuni esempi:

- In condizioni di combustione stechiometrica, il valore di temperatura di rugiada per il gas metano è di 59 °C con CO2=10,5%. Come sappiamo, perché un processo di combustione avvenga correttamente, necessita di un valore e di eccesso d’aria, maggiore rispetto al valore stechiometrico. Per le caldaie a condensazione si assume un eccesso d’aria pari a circa il 25%. Questo valore è correlabile a una temperatura di rugiada di circa 57°C, il valore convenzionalmente condiviso per la tecnica della condensazione.

- Affinché avvenga la condensazione del vapore, occorre che esso si tovi ad una determinata temperatura con una certa pressione costante. Più la pressione è alta, più alta sarà la temperatura necessaria per condensare il gas (questo significa che posso condensare il vapore acqueo per es. a 50°C anziché a 40°C, mantenendo alta la pressione). Le combinazioni di temperatura e di pressione necessarie per condensare il vapore contenuto nell’aria prendono il nome di punto di rugiada. Definiremo quindi, “punto di rugiada” la temperatura alla quale il vapore acqueo raggiunge il punto di saturazione, per cui si condensa intorno alle particelle presenti nell’aria ad una certa pressione costante, cedendo il suo calore.

- Con punto di rugiada o temperatura di rugiada si intende la temperatura alla quale, a pressione costante, l'aria (o, più precisamente, la miscela aria-vapore) diventa satura di vapore acqueo. In meteorologia in particolare, essa indica a che temperatura deve essere portata l'aria per farla condensare in rugiada, senza alcun cambiamento di pressione. Se il punto di rugiada cade sotto 0 °C, esso viene chiamato anche punto di brina.

- Qualsiasi eccedenza di vapore acqueo ("sovrasaturazione") passerà allo stato liquido. Allo stesso modo, il punto di rugiada è quella temperatura a cui una massa d'aria deve essere raffreddata, a pressione costante, affinché diventi satura (ovvero quando la percentuale di vapore acqueo raggiunge il 100%) e quindi possa cominciare a condensare nel caso perdesse ulteriormente calore. Ciò comporta la formazione di brina, rugiada o nebbia a causa della presenza di minuscole goccioline di acqua in sospensione.

- Questa temperatura viene trovata sul "diagramma psicrometrico" tracciando una linea a titolo costante fino a toccare la curva di saturazione.

- Il diagramma psicrometrico viene utilizzato per la determinazione delle proprietà di una miscela acqua-aria a pressione costante. Possiamo considerare il diagramma psicrometrico come una rappresentazione grafica delle equazioni di stato.

- Il diagramma psicrometrico viene utilizzato anche per la determinazione delle proprietà di una miscela "acqua-fumi di combustione a pressione costante", ma non riesco a trovare il diagramma appropriato in rete!! Qualcuno mi può aiutare??

[cane_sciolto]

Berto ha fatto due piccoli errori:
- il potere calorifico inferiore del metano è 10500 kcal/kg e non al mc. Per quello gli viene un recupero così basso. Con riferimento ai mc sono 8250...8400 kcal/mc a seconda dell'origine del gas naturale (è quasi tutto metano).
- si deve tenere conto dell'eccesso d'aria, che riduce la concentrazione del vapor acqueo nei fumi[/list]

Il calore latente di condensazione dell'acqua è funzione della temperatura: è 539 kcal/kg a 100 °C, circa 560 kcal/kg a temperatura ambiente e 0 kcal/kg al punto critico dell'acqua.

Il calcolo corretto è riportato sulla UNI-TS 11300-2.

[Berto]

Puoi tener conto anche di un'ulteriore considerazione senza per forza fare riferimento al m3 o al kg di CH4.

Le caldaie a condensazione rispetto a quelle tradizionali hanno il vantaggio di un maggior recupero energetico, perché nel calcolo del rendimento rientra nel “calore utile”, cioè il calore trasferito all’acqua di circolazione, anche il calore di condensazione del vapore acqueo presente nei fumi, più l’eventuale sottoraffreddamento dello stesso condensato.
Ovviamente per ottenere ciò è necessario avere il ritorno in caldaia del fluido termovettore (acqua del circolatore) ad una temperatura possibilmente compresa tra i 30°C e i 40°C, altrimenti non si riuscirà a recuperare in modo significativo il calore di condensazione dei fumi contenuto nel vapore acqueo.
Come si sa il vapore acqueo contenuto nei fumi è proviene dalla combustione dell’H2, presente ad es. nel gas naturale (metano), dove in linea teorica il metano (CH4) è costituito dal 75% di carbonio (C) e dal 25% di idrogeno (H2).

Il rendimento di una caldaia tradizionale riferito in % al PCI (potere calorifico inferiore) è ad es. ipotizzato intorno al 92% (calore utile), dove il calore perduto sarà:

1)l’11% dovuto al vapore acqueo non recuperato “calore latente di vaporizzazione”.
2)il 7% come calore disperso dai fumi.
3)l’1% di calore disperso dalla struttura della caldaia stessa come perdita per “irraggiamento”.

In totale l’energia in gioco “utile” e “perduta” sarà uguale a: (92% + 11% + 7% + 1%) = 111%.

Nel rendimento di una caldaia a condensazione sempre riferito al PCI (potere calorifico inferiore) possiamo ad es. considerare un rendimento del 104% (calore utile), avendo così perduto:

1)l’1,5% dovuto al vapore acqueo non recuperato “calore latente di vaporizzazione”.
2)il 5% come calore disperso dai fumi.
3)lo 0,5% di calore disperso dalla struttura della caldaia stessa come “irraggiamento”.

In totale l’energia in gioco “utile” e “perduta” sarà uguale a: (104% + 1,5% + 5% + 0,5%) = 111%.

Ma come è possibile che la somma del “calore utile” e del “calore perduto” sia maggiore del 100% (cioè 111%), come è possibile produrre più calore di quello fornito dal combustibile?

Ciò è presto detto in quanto si è sempre fatto riferimento al PCI (calore totale che può essere ottenuto dal combustibile a meno del calore contenuto nel vapore d’acqua) che è dato dalla differenza tra il PCS (potere calorifico superiore), cioè dal calore totale massimo che può essere ottenuto dal combustibile e il calore latente di vaporizzazione, cioè:

PCI = PCS – (calore latente di vaporizzazione)

Il calore latente di vaporizzazione, che normalmente e presente nei fumi, prima dell’evento delle caldaie a condensazione non si recuperava in termini energetici e, pertanto non era preso in considerazione per il calcolo del rendimento. Con le nuove caldaie a condensazione quindi oltre al PCI si recupera anche buona parte del calore di condensazione del vapore, ed è per questa ragione che i rendimenti delle caldaie a condensazione possono superare il 100%, e dare la falsa impressione di produrre più energia di quanta ne contenga il combustibile.
Pertanto sarebbe necessario utilizzare per la verifica del rendimento non più il PCI, ma il PCS:

PCS = PCI + (calore latente di vaporizzazione)

Se consideriamo il calcolo del rendimento partendo dal PCS (utilizzando gli stessi dati di riferimento, cioè riferiti al PCI), considerando la somma dell’energia in gioco “utile” più le “perdite” non possiamo superare il 100% e, in questo caso il rendimento della caldaia a condensazione sarà del 94% e non del 104%.

Infatti con l’1,5% (calore disperso latente di vaporizzazione), il 5% (calore disperso dai fumi) e lo 0,5% (calore disperso per irraggiamento), riferiti al PCI avremo:



[(0,015 + 0,05 + 0,005) * PCI] * 100% / PCS = 6 % (calore perso riferito al PCS)


da cui la somma del “calore utile” + “calore perso” sarà uguale a (94% + 6%) = 100%

Il rendimento della caldaia tradizionale, riferito al PCS sarà dell’83% e non del 92% (riferito con il PCI).

Infatti con l’11% (calore disperso latente di vaporizzazione), il 7% (calore disperso dai fumi) e l’1% (calore disperso per irraggiamento), riferiti al PCI avremo:


[(0,11 + 0,07 + 0,01) * PCI] * 100% / PCS = 17 % (calore perso riferito al PCS)


da cui la somma del “calore utile” + “calore perso” sarà uguale a (83% + 17%) = 100%


Ciao

[Berto]

Un'altra domanda volevo farti:
quel 600 Kcal/Kg del calore recuperato, su che base è stato fissato per convenzione? Dal momento che il calore di vaporizzazione (se ben ricordo) è di 539? Immagino ci siano a fronte delle riflessioni che giustifichino l'approssimazione (non piccola). Se le conosci te ne sarei grato.
Ciao Ugo

Scusa il ritardo, ma mi è capitato di trovare il riferimento di legge anche se datato: Titolo II del D.M. 21 Maggio 1974, considerando la potenza 0,69 kw (600 kcal/h) fornita dall'acqua surriscaldata equivalente alla produzione di 1 kg/h di vapore d'acqua. Ciao Roberto