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TEORIA DELLA CONDENSAZIONE

elettronica




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TEORIA DELLA CONDENSAZIONE

1.1     Che cosa è la condensazione

I fumi prodotti da una caldaia sono in realtà una miscela di gas combusti e vapore acqueo.

Bruciando 1m3 di metano con 2m3 di ossigeno si ottengono 1m3 di anidride carbonica + 2m3 di vapore acqueo:


(1) CH4 + 2 O2  = CO2 + 2 H2O




Da questa reazione di combustione teorica si producono circa 34.020 kJ (pari a 8127 kcal.).

Tale valore rappresenta il potere calorifico inferiore (P.C.I.) del metano.


Facendo condensare il vapore acqueo, è possibile ottenere un’ulteriore quantità di calore (detto calore latente di evaporazione o condensazione): condensando 1m3 di vapore si ottengono circa 1885 kJ (450 kcal) per cui nel caso del metano otteniamo circa 3770 kJ (900 kc 525j92f al).

Il valore energetico della reazione di combustione teorica (1) sommato a tale ulteriore quantità di calore latente di evaporazione, si chiama potere calorifico superiore (P.C.S.) del metano.


Tale potere calorifico superiore del metano sarà quindi = P.C.I. + 3770 kJ = 37790 kJ (9027 kcal)


Questo valore è puramente teorico per una combustione stechiometrica con solo ossigeno. In realtà per diversi motivi tecnico pratici la combustione avviene con aria comburente in eccesso rispetto al valore stechiometrico.

L’eccesso d’aria “e” è calcolato mediante l’Aria reale (necessaria alla combustione) e l’Aria teorica (stechiometrica):

Text Box: Grafico della condensazione dei fumi
Punto di rugiada
 
eccesso di aria

Aria reale - Aria teorica

e

Aria teorica

Nelle caldaie tradizionali l’eccesso d’aria comporta delle perdite di calore al camino ed una difficoltà nella condensazione dei fumi.


Grazie alla tecnologia della pre-miscelazione la caldaia a condensazione lavora ad un basso valore di eccesso d’aria (tale valore generalmente è di 1,3 cioè del 30% in più rispetto alla Aria teorica) e questo permette una condensazione più facile dei fumi .

Ciò è possibile facendo raggiungere ai fumi la temperatura del PUNTO DI RUGIADA, temperatura alla quale il valore d’acqua contenuto nei gas di combustione si trasforma in acqua liquida (condensa) cedendo calore (calore latente di trasformazione).


1.2     Rendimenti nelle caldaie a condensazione

Come noto il rendimento di una caldaia a gas è dato dal rapporto tra l’energia resa disponibile all’acqua e l’energia fornita con il combustibile; sostanzialmente tale rendimento è fortemente influenzato dalle perdite di calore al camino Q, a loro volta influenzate dal valore dell’eccesso d’aria e dalla temperatura dei fumi.

La formula generale del rendimento di una caldaia risulta quindi:


% = [100 – Q] = 100 – [( 0,42 / CO2 + 0,01) (Tf – Ta)]


Text Box: (1) (2)
 
Trit [°C]
(1) Temperatura fumi [°C]
(2) Rendimento [%]
con CO2: concentrazione anidride carbonica in % in volume determinate dall’analisi di combustione

(Tf – Ta): temperatura fumi – temperatura aria comburente




Text Box: CALDAIE A CONDENSAZIONE

 
Da quanto sopra, si può dedurre che il rendimento aumenta al diminuire della quantità di CO2 e al diminuire della Temperatura dei fumi: dal diagramma seguente si nota che il rendimento, superato il “punto di rugiada” (“ginocchio” della curva REND%) in cui si recupera il calore del vapore acqueo contenuto nei fumi, aumenta per i fattori caratteristici della caldaia a condensazione, cioè bassa temperatura fumi, bassa produzione di CO2 e bassa temperatura di ritorno dell’acqua dell’impianto Trit, quest’ultima ottenibile maggiormente negli impianti di riscaldamento a pavimento.



(1)   Calore di combustione del metano (111%)

(2)   Calore di condensazione non utilizzato (latente) perso al camino (circa. 3%)

(3)   Calore utilizzato (circa 106%)

(4)   Perdite al camino (circa. 2%)


I diagrammi seguenti mostrano i confronti delle % di calore perso ed utilizzato, tra caldaie tradizionali e caldaie a condensazione




Text Box: CALDAIE TRADIZIONALI

 
(1) Calore di combustione del metano (111%)
(2) Calore di condensazione non utilizzato (latente) perso al camino (approx. 11%)
(3) Perdite al camino (approx. 9%)
(4) Calore utilizzato (approx 91%)
In virtù del principio di funzionamento della caldaia a condensazione (premiscelazione con eccesso d’aria costante), il rendimento è costante su tutto il campo di modulazione con un alto rendimento stagionale.

Questo fatto, abbinato all’effetto condensante porta ad rendimento medio stagionale molto elevato, con un risparmio energetico fino al 30% utilizzando impianti a pannelli (temperatura dell’acqua di mandata e ritorno 40°/30° durante tutto l’anno).

Text Box: Rendimento medio stagionale della caldaia a condensazione
Rendimento
medio
stagionale
 
Potenza ceduta sull’impianto
(1) Sistema 40/30°C
(2) Sistema 80/60°C
Anche utilizzando impianti convenzionali (temperatura dell’acqua di mandata e ritorno 60°/80°C) è conveniente l’utilizzo della caldaia a condensazione abbinata alla sonda esterna, poiché nei periodi di prima stagione (circa dal 30 al 50% del periodo di riscaldamento) l’impianto automaticamente lavora a più bassa temperatura, permettendo la condensazione dei fumi e migliorando il comfort in riscaldamento.




1.3     Cenni sulle tipologia di impianti: fabbisogni termici / curve delle temperature / temperature esterne


Text Box: Fabbisogno di potenza termica
Potenza
 termica %
 
Temperatura esterna (°C)
I Fabbisogni delle potenze termiche delle caldaie, richieste dai corpi scaldanti per il mantenimento delle temperature ambiente prefissate, non sono costanti ma variano in funzione delle temperature esterne: la caldaie cioè modulerà la percentuale di potenza termica ceduta all’impianto, in funzione appunto della temperatura esterna in quel momento



Text Box: Curva delle temperature di un sistema di riscaldamento
Temperatura
 dell’impianto(°C)
 
ΠC Condensazione completa
 Condensazione parziale*
Ž C Condensazione quasi assente, comunque con alto rendimento stagionale rispetto alle caldaie convenzionali
(a) impianto a bassa temperatura <50° (per es. pannelli) 
(b) impianto a bassa temperatura 50°C ¸ 70°C
(c) Impianti tradizionali 70°C ¸ 90°C
* Con l’uso della sonda esterna, si comporta come una a bassa temperatura per la maggior parte dell’anno

Bisogna notare che inoltre che differenti tipi di impianti termici hanno bisogno di differenti temperature di mandata: se per gli impianti tradizionali (radiatori in ghisa/ventilconvettori) le temperature di mandata variano dai 70°C agli 90 °C, per gli impianti a bassa temperatura (impianti a pannelli immersi), le temperature di mandata per avere dei rendimenti ottimali devono variare tra i 40°C e i max. 50°C, con un salto termico di max 10°C tra mandata e ritorno.



Text Box: Temperatura dell’impianto
In funzione della temperatura esterna
Temperatura
dell’impianto
[°C]
 
temperatura esterna



(1)   mandata

(2)   ritorno

(a)   impianti convenzionali

(b)   impianti a bassa temperatura (pannelli)



La resa ottimale degli impianti a bassa temperatura dipende anche dal fatto che i valori di temperatura tra mandata e ritorno impianti siano i più costanti possibili.


1.4     Condensa nelle caldaie a condensazione.


La quantità dell’acqua di condensa Qcondensa teorica prodotta dalle caldaie a condensazione può essere calcolata dalla seguente formula:

Qcondensa [lt/anno]    = Consumo gas metano annuo C * P.C.S. metano * Portata acqua condensa =

= C [m3/anno] * 11,46 [kWh/ m3] * 0,12 [lt/kWh]


Il valore pratico di tale quantità, visto che il funzionamento della caldaie non sarà mai costante durante tutto l’anno, andrà ridotto di circa la metà: posiamo dire che per un consumo medio annuo di gas di circa 1.500 m3 (appartamento unifamiliare) il valore teorico di acqua condensata prodotta all’anno sarà di circa 2.000 lt, praticamente avremo circa 1.000 lt/anno di condensa prodotta.




Tale acqua di scarico è generalmente acida (PH da 3,5 a 4,5), ma tale acidità è abbondantemente neutralizzata dagli scarichi domestici, generalmente neutri o basici, con un PH risultante di circa 6,5: lo scarico di tale acqua può essere collegato quindi all’impianto di smaltimento reflui domestici in rete fognaria, nel rispetto della legislazione vigente in materia (D.L. n.152 del 11/05/99).


Tale scarico comunque deve essere realizzato in modo da impedire la fuoriuscita dei prodotti gassosi della combustione in ambiente o in fognatura: ciò viene ottenuto mediante l’apposito sifone (vedere paragrafo successivo).

1.5     Emissioni fumi nelle caldaie a condensazione


La caldaia a condensazione é una caldaia ecologica perché abbatte drasticamente le emissioni inquinanti di circa 12 volte.

Come noto la formazione degli ossidi nocivi NOx è tanto minore  quanto più bassa è la temperatura di combustione.

La tecnologia della condensazione (bruciatore inox ad aria soffiata) consente l’abbassamento delle temperature di combustione e quindi l’abbattimento delle emissioni degli ossidi NOx, ad appena 17 mg/kWh (circa 10 ppm), mentre nella combustione tradizionale tale valore è di ben 230 mg/kWh (circa 130 ppm).

Le emissioni degli ossidi CO si abbattono a circa 10 mg/kWh (circa 10 ppm), mentre nella combustione tradizionale tale valore è di ben 180 mg/kWh (circa 100 ppm).


Emissioni di NOx

(1)   caldaia a condensazione

(2)   caldaia camera stagna con bruciatore atmosferico

valore medio stagionale: 17,3 mg/kWh


Emissioni di CO

(1)   caldaia a condensazione

(2)   caldaia camera stagna con bruciatore atmosferico

valore medio stagionale: 9,7 mg/kWh











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