Università degli studi di Bologna

D.I.E.M.

Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche,

Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia

03a_Combustione – Calorimetri

rev. sett. 2009

1

Calcolo massa d’ossigeno per la combustione

Reazioni elementari di combustione:

Massa di ossigeno teorica per 1 kg di combustibile:

c, h, o, s = frazioni ponderali (kgcomponente/ kgcombustibile)

( ) ( ) ( ) ( )

shcm

so

hcoshcm

mmmmm

teoricaO

teoricaO

OOSOHOCOteoricaO

+′+=

+

−+=−++=

−++=

83

8

88

3

88

3

8

_

_

_

2

2

22222

kg443212

22

=+

=+ COOC

kg643232

22

=+

=+ SOOS

kg18162

2

1222

=+

=+ OHOH

2

Massa d’aria per la combustione - Eccesso d’aria

Eccesso d’aria:

Massa di aria teorica

(per 1 kg di combustibile):

Massa di aria effettiva

(per 1 kg di combustibile):

e = 5÷10 % combustibili gassosi

e = 10÷15 % combustibili liquidi

e = 15÷40 % combustibili solidi

23.0

_

_2 teoricaO

teoricaaria

mm =

eccessoariateoricaariaeffettivaaria mmm ___ +=

1_

_

_

__ −=−

=teoricaaria

effettivaaria

teoricaaria

teoricaariaeffettivaaria

m

m

m

mme

3

Calcolo volume d’ossigeno per la combustione (1)

mol1mol1mol1

22

=+

=+ COOC

mol1mol1mol1

22

=+

=+ SOOS

mol1mol5.0mol1

2

1222

=+

=+ OHOH

Pa) 101325 K, 273.15 :oriferiment di condizioni(in

/kmolm414.22

00

3

0

==

=

pT

V

lecombustibi/kgkmol iin =

( )12

002

cVnVV CCO ==

( )4

5.0 002

hVnVV HHO

′== ′

( )32

002

sVnVV SSO ==

Combustione stechiometrica:

4

Calcolo volume aria per la combustione (2)

( ) ( ) ( ) ( )[ ]( ) lecombustibi

3

0

lecombustibi

3

0

/kgm 32412

/kgm

22

22222

OO

OSOHOCOO

shcVV

VVVVV

=

+′

+=

=++=′

21.0

_

_2 teoricoO

teoricaaria

VV =

)1(__ eVV teoricaariaeffettivaaria +=

volume d’aria teorico per la combustione

volume d’aria effettivo per la combustione

volume d’ossigeno teorico per la combustione

5

Volume dei fumi

6

Volume dei fumi secchi (1)combustione teorica completa a CO2

e = 0 , (assenza di zolfo)

[ ]comb

fumi

COft

hcVhV

hcVV

kg

m

479.0

1221.0441221.0

3

00

0

2

′+=

′−

′+=

Vat

comb

CO

CO

cVV

kg

m

12

3

02

2=

[ ]2COftV

volume di CO2 nei fumi

7

Concentrazione CO2 fumi secchi (1)combustione teorica completa a CO2

e = 0 , (assenza di zolfo)

[ ] 3

3

2

0

0

m

m

379.01

21.0

479.0

1221.0

12

2

2

2

comb

CO

COft

CO

CO

c

hhcV

cV

V

VX

′+

=

′

+==

[ ]comb

fumi

COft

hcVV

kg

m

479.0

1221.0

3

0

2

′+=

comb

CO

CO

cVV

kg

m

12

3

02

2=

Il valore calcolato rappresenta la massima concentrazione di

CO2 ottenibile nei prodotti della combustione

8

Volume dei fumi secchi (2)combustione teorica completa a CO !!!

e = 0 , (assenza di zolfo)

[ ]comb

fumi

COft

cV

hV

hcVV

kg

m

24442421.0

3

000 +

′−

′+=

combCOCO

cVV /kgm

12

3

0 2=

V’at

[ ]COftV

[ ] kg

m

479.0

1221.1

21.0

3

0

comb

fumi

COft

hcVV

′+=

volume di CO nei fumi§

§ il volume di CO nei fumi

è lo stesso della CO2!!!

Incremento di volume

rispetto a quello

corrispondente alle

moli di ossigeno

9

Concentrazione CO fumi secchi (1)combustione teorica completa a CO

e = 0 , (assenza di zolfo)

[ ] 3

3

0

0

m

m

379.0605.0

21.0

479.0

1221.1

21.0

12

fumi

CO

COft

COCO

c

hhcV

cV

V

VX

′+

=

′+

==

[ ]comb

fumi

COft

hcVV

kg

m

479.0

2421.1

21.0

3

0

2

′+=

comb

CO

CO

cVV

kg

m

12

3

02=

Il valore calcolato rappresenta la massima concentrazione di

CO ottenibile nei prodotti della combustione

10

Combustione reale (1)Vf’ combustione teorica completa a CO2

Vf’’ combustione teorica completa a CO

Vf’’’ aria “indisturbata” (in eccesso)

.210

2

22

fO

COfCO

COfCO

VV

XVV

XVV

′′′=

′′=

′=

.2102 fO VV ′′′=

22 COfCO XVV ′=

fV ′

COfCO XVV ′′=fV ′′

fV ′′′

fV

ffff VVVV =′′′+′′+′

Combustione reale (2)

Volume totale

dei fumi secchi

.210 ; ;

2

2

2 O

f

CO

COf

CO

CO

f

VV

X

VV

X

VV =′′′=′′=′

12

ffff VVVV =′′′+′′+′

f

O

CO

CO

CO

COV

V

X

V

X

V=++

.210

2

2

2

f

O

O

f

COCO

f

CO

COV

VX

V

VX

V

VX 22

2 2;;

===

Concentrazioni

nei fumi secchi

OSTWALD Wilhelm F.

13

Dalla seconda delle due espressioni

precedenti ottenute per Vfsi ricava la relazione seguente:

1.210

2

2

2 =++ O

CO

CO

CO

CO X

X

X

X

X

I tre valori di concentrazione non

sono quindi indipendenti!

Riga, 2 settembre 1853 - Lipsia, 4 aprile 1932

Nobel

1909

(Chimica)

Diagramma di OSTWALD per CH4

14

15

Eccesso d’aria (1) Combustione a CO2 con eccesso aria

[ ] ( )

( )3

3

00

02

2

m

m

321.0

311

21.0

441221.01

12)(

2

2

fumi

CO

COft

CO

CO

c

h

c

he

hV

hcVe

cV

V

VeX

′−

′++

=

′−

′++

==

Riduzione di volume

per condensazione

dell’acqua proveniente

dall’idrogeno

Va_reale

VCO2

16

Eccesso d’aria (2)

Combustione a CO con eccesso aria

[ ] ( )

( )3

3

00

0

m

m

3

2

121.0

3

2

11

21.0

42442421.01

12)(

fumi

CO

COft

COCO

c

h

c

he

hV

chcVe

cV

V

VeX

′−+

′++

=

′−+

′++

==

Va_reale

VCO

17

e=

cost

Eccesso d’aria (3)

Combustione con eccesso aria a CO

(assenza totale di CO2)

[ ] 3

3

0,

2_2m

m

)1(1

)1(79.0

42.0

)0,( 2

2

22

2

2

fumi

CO

CO

COCO

Oef

CO

eCOXe

XeX

V

VOeX

−+

−+===

=

[ ] 3

3

_

_

0,

2_2m

m

2)0,( 2

2

2

2

2

fumi

O

eCO

eCO

COef

CO

eOX

X

V

VCOeX

+===

=

Intersezione asse ordinate (XO2 = 0):

Intersezione asse ascisse (XCO2 = 0): :

P(1,-2)

18

Diagramma di OSTWALD per isottano C8H18

m = XO2 nell’aria ( si assuma il valore approssimato m = 0.21)

massa molare media: M C8H18 = 8 × 12 + 18 × 1 = 96 +18 = 114 g/mol

c = 96/114 = 0.8421

h = 18 /114 = 0.1579

h/c = 18/96 = 0.1875

[ ] ( )

[ ] ( ) 3

3

3

3

2

m

m0.200

1875.0379.0605.0

21.0

379.0605.0

21.0

m

m0.146

1875.0379.01

21.0

379.01

21.0

2

2

2

comb

CO

COft

COCO

comb

CO

COft

CO

CO

c

hV

VX

c

hV

VX

=⋅⋅+

=

′+

==

=⋅⋅+

=

′+

==

19

Diagramma di OSTWALD per isottano C8H18

Rette a eccesso aria costante

1 mm = 0.00125%

e=

0

e=

∞2COX

0.200

0.1462

=

=

CO

CO

X

X

2OX

K’ = XCO = 0

0.0678

Potere calorifico

Energia riferita ad 1 kg di combustibile (kJ/kg)

combustibili gassosi: idrogeno, metano

combustibili liquidi: benzina, alcool, olio combustibile

combustibili solidi: legna, carbone, RSU, CDR

Ks = Potere calorifico superiore

Ki = Potere calorifico inferiore

r = calore latente di vaporizzazione H2O: (2500 kJ/kg)

a = H2O prodotta per kg di combustibile

arKK si ⋅−=

20

Calorimetro di Junkers

21

Calorimetro (“Bomba”) di Mahler

Combustibili solidi

Atmosfera di ossigeno

Innesco elettrico

22

Determinazione del potere Calorifico

23

24

Determinazione del potere Calorifico (esempio)

ma = 94 kg massa acqua refrigerante (pesata)

te = 15.5 °C temperatura ingresso acqua

tu = 24.0 °C temperatura uscita acqua

te = 18.0 °C temperatura del gas

Vg = 100 L volume gas (contatore volumetrico 10 giri)

patm = 750 mm Hg pressione atmosferica

dp = 30 mm H2O caduta di pressione al contatore

mc = 10.2 g massa acqua condensata

Calorimetro di Junkers - combustibile CH4

Determinare il potere calorifico inferiore in kJ/m3

(cond. Normali p = 760 mm Hg, t = 0 °C)

25

Determinazione del potere Calorifico (esempio)

Tg = 18.0 + 273.15 = 291.15 K temperatura assoluta del gas

dp = 30/13.5951 = 2.2 mm Hg caduta di pressione al contatore

pg = 750 +2.2 = 752.2 mm Hg pressione del gas

30

0

0 m0928.015.291

15.273

760

2.7521.0 ===

g

g

ggT

T

p

pVV

Vg0 = volume gas normale

26

Determinazione del potere Calorifico (esempio)

( ) ( )3

0 m

kJ36040

0928.0

5.150.241868.494=

−⋅=

−=

g

euags

V

ttcmVK

Potere calorifico superiore

mc0 = massa acqua condensata specifica ( riferita a 1 m3 di gas)

3

0

0m

g110

0928.0

12.10

1===

g

ccV

mm

Potere calorifico inferiore

30m

kJ3576411.0250036040 =⋅−=⋅−= csi mrKK