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1. LE PERDITE AL CAMINO A FIAMMA SPENTA
Durante le pause di funzionamento del bruciatore il tiraggio naturale del camino tende alla creazione di una corrente d'aria che, lambendo le superfici di scambio all'interno della caldaia, costituisce una fonte di perdite dell'energia già trasmessa all'acqua.
Figura 1: Bruciatore accoppiato all'Ottimizzatore Ceramico di Combustione
Ci proponiamo, con l'ausilio di un grafico, di rendere l'idea di come queste perdite (che chiameremo semplicemente perdite al camino) siano influenzate dai più o meno frequenti spegnimenti del bruciatore che, ovviamente, dipendono dalla proporzione tra potenza dissipata dall'impianto e potenza somministrata all'acqua dalla fiamma.
A tale fine abbiamo fissato, nella Figura 2, le vicende di un gruppo termico privo di efficace serranda sul bruciatore (condizione purtroppo frequentissima), a carico utilizzatore costante, e con una data potenza trasmessa all'acqua.
Nella Figura 3 abbiamo rappresentato le medesime vicende, ma dopo avere incrementato la potenza trasmessa all'acqua del 30% (per esempio ritarando il bruciatore) e lasciando inalterate tutte le altre condizioni di funzionamento.
Abbiamo chiamato "tempo di rilassamento dell'impianto" il tempo t intercorrente tra uno spegnimento e la successiva riaccensione del bruciatore: per le ipotesi fatte è una costante ed è identico in entrambe i casi (per fissare le idee l'abbiamo stabilito di 4'30").
Figura 2: Per lo studio delle perdite al camino con una data potenza trasmessa all'acqua.
Il tempo t' di accensione della fiamma è diverso nei due casi: è quello necessario a fornire la stessa quantità di energia rappresentata dalle aree a semplice tratteggio, aree di diversa forma ma equivalenti, nei due casi.
Le aree a doppio tratteggio rappresentano l'energia perduta al camino a fiamma spenta. Il picco verso il basso corrisponde alla perdita in fase di ventilazione del bruciatore.
Per fissare le idee e con riferimento ad unità arbitrarie di energia (u.a.e.) le figure sono redatte in base alle seguenti ipotesi:
Energia persa al camino in un ciclo Ep1 = Ep2 = Ep = 18,750 u.a.e.
Tempo di funzionamento del bruciatore T1 = 3'
Tempo di lavoro della fiamma t'1 = 2'15"
Tempo di preventilazione 45"
Tempo di rilassamento dell'impianto t1 = t2 = t = 4'30".
Figura 3: Per lo studio delle perdite al camino quando si incrementa la potenza trasmessa all'acqua del 30%.
Misurando le aree si ottiene che, in un'ora di funzionamento e con la medesima efficacia sull'impianto utilizzatore, nel primo caso si realizzano N° 8 cicli orari perdendo al camino 150 u.a.e., nel secondo caso si realizzano N° 9,09 cicli e si perdono al camino 170,454 u.a.e.
In termini relativi si conclude che l'incremento della perdita a fiamma spenta causato dalla maggiorazione del 30% della potenza impegnata è:
Nell'ipotesi che le perdite al camino a fiamma spenta raggiungano il valore dello 0,6% (in accordo con quanto previsto da UNI 10348, prospetto V) si ottiene che la nuova perdita, incrementata del 13,6%, sarà 0,68%.
Si tratta di un'influenza addirittura trascurabile, contrariamente a quanto generalmente ci si attende.
La riduzione di portata, nel corso delle applicazioni di dispositivi atti al risparmio energetico (siano essi dispositivi di tipo ceramico o di tipo elettrodinamico, attualmente in forte espansione) è necessaria (salvo eccezioni).
Infatti il risparmio implica minore spreco e, quindi, una maggiore potenza disponibile a parità di consumi: l'effetto desiderato non è un aumento della potenza ma bensì la diminuzione dei consumi a parità di potenza (che generalmente è già esagerata!).
Da quanto detto risulta dimostrato che è assurdo sostenere che la sola riduzione di portata sia sufficiente a garantire risparmi sensibili come, purtroppo, molti "esperti" ancora sostengono.
Un'incidenza sul risparmio, limitata a una o due unità percentuali, si può avere a fiamma accesa e non tanto per la minore intermittenza di funzionamento (come prima dimostrato), poichè sarà minore la temperatura dei fumi (è noto che a ogni 20 K di diminuzione della temperatura dei fumi corrisponde un maggior rendimento di combustione di una unità percentuale circa).
Ciò è conseguenza ovvia del fatto che la minore portata dei fumi implica una velocità media degli stessi inferiore e, quindi, un maggior tempo di contatto con le superfici di scambio della caldaia.
4. IL TIRAGGIO E LA FORMAZIONE DI CONDENSA.
Da quanto detto la riduzione di portata di combustibile implica una diminuzione della temperatura dei fumi: malgrado la temperatura di rugiada di questi sia intorno ai 60 °C molti manutentori temono la formazione di condensa.
In effetti il pericolo di condense esiste per tutte quelle canne fumarie che non rispettano la normativa vigente (in particolare un gradiente massimo di temperatura di 1°C/m e l'impermeabilità delle pareti).
Lo stato più frequente delle canne fumarie esistenti contempla, inoltre, valori elevatissimi di depressione alla base del camino (anche 150 Pa) con il pericolo di interferenze gravi col ventilatore del bruciatore che dovrebbe essere l'elemento unico (e doverosamente tarato) atto a fornire l'aria comburente.
L'impossibilità di regolare il tiraggio, visti i divieti correnti in materia di serrande et similia, ci sembra un grave handicap perchè incide in maniera negativa su fattori determinanti le perdite al camino.
Nella Figura 4 abbiamo riportato l'andamento della depressione alla base del camino in funzione della temperatura esterna e per diversi valori della pressione atmosferica: se ricordiamo che una differenza di pressione statica di 10 Pa, convertita in pressione dinamica (applicando banalmente il Teorema di Bernoulli), è in grado di imprimere una velocità alla vena fluida di circa 4 m/s, possiamo apprezzare quale portata d'aria scorrerebbe "naturalmente" all'interno di un camino progettato per una caldaia a carbone ed oggi applicato ad un gruppo termico a gas!
Figura 4: Relazione tra tiraggio del camino, temperatura esterna
con diversi valori della pressione atmosferica.
Il punto di rugiada dei fumi è influenzato anche dal contenuto d'Ossigeno libero (normalmente chiamato "eccesso d'aria"): per il Metano vale il grafico di Figura 5 che mostra il rapido decremento del punto di rugiada dei fumi all'aumentare dell'eccesso d'aria. E' questa la strada imboccata dalla tecnica tedesca per risolvere brillantemente questo genere di problemi.
Figura 5: Punto di rugiada per i fumi di Metano
in funzione del contenuto d'Ossigeno.
La normativa tedesca, con le Tabelle DIN 4795, stabilisce le norme di sicurezza ed i metodi di prova riguardanti dispositivi di regolazione del tiraggio in grado di rimediare agli inconvenienti dovuti all'eccessiva depressione alla base del camino e di impedire la formazione di condensa.
Tali dispositivi (conosciuti anche dai tecnici nostrani) regolano la miscelazione dei prodotti della combustione con l'aria aspirata dall'ambiente (Centrale Termica) in modo da ottenere una miscela fumi/aria come indicato nella Figura 6.
Figura 6: Applicazione di una serranda per aria secondaria su
di un camino secondo le Norme DIN 4795.
L'aria secondaria è poverissima d'acqua (dal diagramma psicrometrico Ashrae deduciamo che l'aria atmosferica a 0 °C ed al 100% di Umidità Relativa possiede circa 4 g di acqua per ogni kg di aria secca) mentre i fumi ne possiedono molta: per esempio nella combustione del Metano si possono misurare (a 100 °C e 0% di Ossigeno) 265 g d'acqua per ogni metro cubo di fumi (circa il 45% in peso!).
La miscela che viene inviata allo scarico ha un punto di rugiada così favorevole (dipendente, ovviamente, dal rapporto aria/fumi che si realizza: basta riferirsi alla Figura 5) che, per esempio con il 17% di Ossigeno aggiunto per mezzo dell'aria secondaria, può raggiungere i 30 °C che sono una temperatura di grande sicurezza.
I principali vantaggi dell'immissione di aria secondaria si possono così riassumere:
- Abbassamento della temperatura di rugiada dei prodotti fluenti nel camino in modo da impedire condensazioni.
- Possibilità di ottenere il massimo sfruttamento dell'energia interna dei gas combusti abbassandone la temperatura prima
dell'uscita dalla caldaia.
- Regolarizzazione del tiraggio con beneficio per la stechiometria della combustione.
- Incremento della velocità media dei gas di scarico con minore deposito di eventuali incombusti solidi.
- Mantenimento della parete interna del camino sempre asciutta grazie alla continua ventilazione.
5. Conclusione.
Partendo dalle virtù termodinamiche dell'HeizCeram, Ottimizzatore Ceramico, ci siamo resi conto delle problematiche che si frappongono ad un miglioramento dei rendimenti complessivi di molti gruppi termici.
Dalle nostre osservazioni in campo, tra i nemici del risparmio di combustibile si annoverano non solo temperature elevate dei fumi ma anche accoppiamenti impropri tra caldaia e bruciatore e scorretto dimensionamento dei camini.
Un nuovo orizzonte si apre, ai nostri occhi di vecchi tecnici, se riusciamo ad operare su tre fronti:
- Massimo sfruttamento dell'energia radiante prodotta dalla fiamma e dell'energia interna dei gas di combustione.
- Taratura accurata dei bruciatori: in particolare che la potenza da essi erogata non ecceda le necessità di picco; sarebbe
preferibile una ritaratura nel caso che la stagione si manifestasse particolarmente rigida. In questo modo si potrebbero
minimizzare le perdite tipiche dell'intermittenza di funzionamento.
- Controllare il tiraggio con sistemi idonei: ci auguriamo che la legislazione possa consentire l'adozione di regolatori d'aria
secondaria per godere dei benefici descritti.
Abstracts
The knowledges gained in the HeizCeram G80 installations in pressurized bolires confirm the validity of the application of the Stephan and Boltzman law (black-body theory).
The mutual electromagnetic coupling between the ceramic body and the combustion chamber allow the maximum profit by radiation emitted from the flame.
To improve the general exploitation of the combustion it needs to work on the whole design of the burner/boiler/chimney system.
We show the influence of the on-off working burner on energy loss: the HeizCeram installation can be a good chance to adjust the burner power to the plant needs, calibrating the maximum fuel consumption.
To avoid problems with water condensate in burned gases we suggest to follow our experience in German applications: the chimney draft control have a big weight.
The best way to control the draft is to introduce a controlled secondary air in the chimney bottom side obtaining the best performance of the heating system.
Dr Prof. Pier Maria Boria, Fisico Progettista.
