Combustione
Il calore generato dalla combustione è la principale fonte di energia termica per la maggior parte delle caldaie. Alcune caldaie riscaldano l'acqua attraverso altri metodi, come le caldaie elettriche, ma queste non sono diffuse quanto le caldaie a combustibili fossili.
La combustione coinvolge l'ossidazione degli atomi di idrogeno di un combustibile per liberare calore. Poiché le caldaie a combustibili fossili e il vapore sono strettamente collegati, è fondamentale comprendere il processo di combustione per capire come viene prodotto il vapore. Questo capitolo esamina il processo di combustione e la sua importanza nella generazione di vapore.
Reazione Chimica della Combustione
La combustione è un'ossidazione rapida del combustibile, che comporta un trasferimento di energia sotto forma di calore e luce. Per questa lezione, è necessario conoscere alcuni elementi chimici comuni e i loro simboli.
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Simbolo Chimico |
Elemento o Sostanza |
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C |
Carbonio |
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H |
Idrogeno |
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CxHy |
Idrocarburi |
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O |
Ossigeno |
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CO2 |
Anidride Carbonica |
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H2O |
Acqua |
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N2 |
Azoto |
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CO |
Monossido di Carbonio |
Tabella dei Simboli Chimici
Nota: Sebbene l'ossigeno abbia il simbolo chimico 'O', è più comune nella sua forma molecolare 'O2' ed è spesso indicato come tale.
I combustibili sono composti da idrocarburi, rappresentati dai simboli chimici CxHy; i valori di x e y variano a seconda del combustibile. Altre sostanze possono formarsi quando gli elementi si combinano, come quando due atomi di idrogeno (H) si legano con un atomo di ossigeno (O) per formare acqua (H2O).
L'immagine sottostante illustra la reazione chimica che avviene quando il combustibile (CxHy) viene bruciato con ossigeno (O). I reagenti della reazione chimica sono il combustibile (idrocarburi) e l'ossigeno. I prodotti della reazione chimica sono anidride carbonica (CO2), acqua (H2O) e ΔH.
Il simbolo 'ΔH' (delta H) rappresenta il calore di reazione (noto anche come entalpia di reazione). ΔH indica la quantità di energia rilasciata o assorbita dalla reazione chimica. ΔH varia a seconda del grado di completezza della combustione.
Reazione Chimica della Combustione
Requisiti della Combustione
La combustione può avvenire solo se sono presenti tre elementi:
- Ossigeno
- Calore
- Combustibile
Nel caso di una caldaia, l'ossigeno è fornito dall'aria ambiente, che contiene circa 21% di ossigeno. I combustibili principali per le caldaie sono il gas naturale, l'olio combustibile e il carbone. Il calore può essere fornito durante l'accensione, ad esempio tramite un arco elettrico per innescare la miscela aria/combustibile.
Un triangolo del fuoco (noto anche come triangolo della combustione) rappresenta i requisiti della combustione; un tetraedro del fuoco (mostrato sotto) svolge una funzione simile.
Tetraedro del Fuoco
I tre elementi della combustione devono essere presenti nelle giuste proporzioni, altrimenti la combustione non può avvenire. Troppa aria e troppo poco combustibile possono impedire la combustione, così come troppo combustibile e troppo poca aria.
Perfetta, Completa e Incompleta
La combustione della caldaia può essere perfetta, completa o incompleta.
- Combustione Perfetta – viene fornita la quantità esatta di aria per ottenere la combustione completa del combustibile. La combustione perfetta è raggiungibile solo in condizioni di laboratorio.
- Combustione Completa – viene fornita la quantità minima di aria necessaria per ottenere la combustione completa. Gli operatori delle caldaie dovrebbero sempre mirare a ottenere la combustione completa.
- Combustione Incompleta – viene fornita troppo poca aria, risultando in una combustione incompleta.
La combustione completa è essenziale per evitare una riduzione dell'efficienza della caldaia e potenziali rischi per la sicurezza. Quando il combustibile brucia completamente, i prodotti comuni della combustione includono anidride carbonica (CO2), vapore acqueo (H2O), azoto (N2), ossido di zolfo (SOx) e ossido di azoto (NOx). Se il combustibile non brucia completamente, i prodotti della combustione possono includere monossido di carbonio (CO), fuliggine e fumo.
Il monossido di carbonio è un gas tossico e infiammabile, meno denso dell'aria. La combustione incompleta può portare alla generazione di monossido di carbonio, che è indesiderato, poiché rappresenta un rischio per la salute e la sicurezza. Altri sottoprodotti della combustione incompleta includono fuliggine e fumo, che possono ridurre il trasferimento di calore all'interno della caldaia, portando a una diminuzione complessiva dell'efficienza.
Aria Primaria, Secondaria e in Eccesso
La quantità di aria fornita a una caldaia per la combustione varia a seconda che la combustione sia completa o incompleta. È possibile analizzare i gas di combustione per determinare se la combustione è stata completa o incompleta. Un eccesso di ossigeno nei gas di combustione indica che è stata fornita troppa aria. Alti livelli di monossido di carbonio nei gas di combustione indicano che è stata fornita troppo poca aria, risultando in una combustione incompleta.
Se il combustibile non viene completamente bruciato, i livelli di monossido di carbonio saranno elevati e sarà necessario fornire più aria dal bruciatore della caldaia per ottenere una combustione completa. Se viene fornita troppa aria, i livelli di ossigeno nei gas di combustione saranno alti e la quantità di aria fornita al bruciatore della caldaia dovrà essere ridotta.
L'aria totale fornita alla caldaia è ulteriormente classificata come primaria, secondaria o in eccesso.
- Aria Primaria – è miscelata con il combustibile prima che raggiunga la camera di combustione. L'aria primaria controlla la quantità di combustibile bruciato.
- Aria Secondaria – è aggiunta alla camera di combustione durante la combustione. L'aria secondaria controlla quanto efficacemente il combustibile viene bruciato.
- Aria in Eccesso – è l'aria aggiunta al processo di combustione che non era necessaria per la combustione. L'aria in eccesso è aria secondaria che non partecipa al processo di combustione.
- Aria Totale – la somma dell'aria fornita per il processo di combustione, cioè aria primaria + aria secondaria + aria in eccesso = aria totale.
Nota: Il termine aria di diluizione si riferisce all'aria aggiunta al condotto (lo spazio tra la caldaia e il camino) per facilitare il flusso dei gas di combustione dalla caldaia all'atmosfera
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion
https://www.bbc.co.uk/bitesize/topics/zypsgk7/articles/zcwxcj6#
http://www.auburn.edu/academic/forestry_wildlife/fire/combustion.htm