Cosa sono i fumi caldaia?
Prima di arrivare a descrivere i vantaggi del controllo dei fumi di una caldaia, conviene fare una breve panoramica su cosa siano questi fumi, come vengono prodotti e come ne influenzano le performance.
Partiamo col descrivere cosa sono.
I fumi caldaia non sono altro che il prodotto della combustione che avviene nel focolare della caldaia o generatore. Dall’analisi della loro composizione e temperatura, si può ricavare lo stato di salute dell’impianto. Prima però di passare a tecnicismi relativi alla combustione, occorre conoscere la generale struttura della caldaia.
Tutte le caldaie sono composte da un bruciatore, che è il responsabile della combustione, e da un corpo caldaia, dove invece avviene lo scambio di calore tra fiamma, fumi e acqua.
A seconda del bruciatore utilizzato e delle applicazioni, vi sono diverse tipologie di combustione: di conseguenza vengono prodotti fumi con caratteristiche diverse.
Come tutti i fumi prodotti dalla combustione di idrocarburi, anche quelli delle caldaie sono inquinanti e vanno quindi tenuti sotto controllo. Ma l’analisi dei fumi non serve solamente a comprendere il loro livello di tossicità: tramite questa analisi è possibile ricavare anche l’andamento dei rendimenti a cui lavora la caldaia.
Indice:
- La combustione nel corpo caldaia
- Rendimenti e fumi della caldaia
a. Come la concentrazione di anidride carbonica e monossido di carbonio influenzano il rendimento;
b. La temperatura dei fumi e l’incidenza sui rendimenti. - Come effettuare il controllo dei fumi
- Conclusioni
1. La combustione e la composizione dei fumi
Una volta messe le basi e rinfrescati alcuni concetti sul funzionamento delle caldaie, vediamo alcuni tecnicismi sulla combustione e come questi influenzano le performance di un impianto termico.
Definiamo, come prima cosa, cos’è la combustione.
La combustione non è altro che l’ossidazione di un combustibile (solitamente il metano nelle caldaie) ad opera di un comburente (l’ossigeno).
I combustibili che vengono utilizzati nella maggior parte dei casi, appartengono alla famiglia degli idrocarburi (metano, diesel, gpl, etc,).
La loro combustione produce sempre una certa percentuale di anidride carbonica (CO2), vapore acqueo (H2O), ossigeno (O2), azoto (N2) ed, in piccole percentuali ma molto pesanti sull’ambiente, di monossido di carbonio (CO) e ossidi di azoto (NOx).
È facile notare, anche senza essere chimici esperti, che i gas presenti in percentuali maggiori non sono gas propriamente inquinanti. Infatti l’azoto, il vapore acqueo e l’ossigeno sono già presenti in atmosfera e non sono tossici.
Le tre frazioni inquinanti sono invece:
1. L’ Anidride carbonica
2. Il monossido di carbonio
3. Gli Ossidi di azoto
Come abbiamo già sentito dire migliaia di volte, l’anidride carbonica non è un gas tossico in sé, ma è responsabile dell’effetto serra. Eliminarla è praticamente impossibile fin tanto che vengono bruciati idrocarburi attraverso macchine, caldaie e generatori, perché dalla loro combustione avremo sempre anidride carbonica come prodotto.
L’unico modo per toglierla dall’equazione sarebbe quello di trovare meccanismi che riescano ad eliminare l’anidride prodotta presente in atmosfera, ma qui entriamo in un altro mondo.
Torniamo alla nostra combustione.
Il monossido di carbonio (CO) e gli ossidi di azoto (NOx) sono gas tossici sia per l’uomo che per l’ambiente.
Nella combustione delle caldaie, il monossido di carbonio si ha quando la combustione non è completa.
Una combustione incompleta si può avere nelle fasi di accensione e spegnimento dell’impianto, ma non dovrebbe verificarsi durante il suo funzionamento normale.
La concentrazione di monossido di carbonio deve quindi tendere a 0 man mano che si raggiungono le condizioni di regime.
Un buon metodo per diminuire le emissioni totali di CO di un impianto termico, è quello di dotarsi di una caldaia con ampio campo di modulazione di fiamma, che si spenga e si accenda il meno possibile.
Durante il normale funzionamento di una caldaia, sia che produca acqua calda, sia che produca vapore, vengono comunque sempre emessi in atmosfera ossidi di azoto (NOx).
Questi gas sono altamente tossici e dannosi per l’ambiente, per questo esistono regole stringenti per limitarne le emissioni. In italia per esempio, il limite è di 100 mg/kWh per potenze superiori a 1 MW bruciato, altri Paesi più avanzati a livello di tutela ambientale, come gli USA ed in particolare lo stato della California, hanno limiti ancora più bassi: 18 mg/kWh.
2. Rendimenti e fumi della caldaia
Come abbiamo cominciato a vedere, la composizione dei fumi della caldaia ci fornisce delle chiare indicazioni sul suo stato di salute: se per esempio abbiamo concentrazioni di CO troppo elevate, significa che la combustione è incompleta.
Monitorare i fumi è dunque una pratica fondamentale per mantenere sotto controllo le performance dell’impianto.
Vediamo nello specifico come la composizione dei fumi e la loro temperatura vanno ad incidere sui rendimenti.
a. Come la concentrazione di anidride carbonica e monossido di carbonio influenzano il rendimento
Partiamo riprendendo il caso del monossido di carbonio.
Livelli troppo alti di monossido di carbonio (CO) nei fumi indicano una combustione incompleta, con rischi di esplosione e sporcamento delle superfici interne, questo può quindi influire sullo scambio di calore.
Ancora di più del monossido di carbonio, è l’anidride ad avere una grossa influenza sui rendimenti.
Livelli troppo bassi di anidride carbonica, con conseguenti alte percentuali di ossigeno nei fumi, indicano un eccesso di aria nella combustione.
L’eccesso di aria significa un volume più alto del necessario di fumi caldi che vengono dispersi nell’ambiente, con conseguente diminuzione del rendimento della caldaia.
È del tutto scontato ricordare poi che rendimenti più bassi implicano costi d’esercizio più alti. Qualche punto percentuale può sembrare poco, ma su un impianto industriale assicura importanti risparmi nell’arco dell’anno.
a. La temperatura dei fumi e l’incidenza sui rendimenti
Insieme alla concentrazione di monossido di carbonio, la temperatura dei fumi ci fornisce un’importante indicazione sullo stato della combustione e quindi sul rendimento della caldaia.
Se infatti prendiamo il caso in cui bruciamo metano al 3% di ossigeno, ogni 22 gradi di aumento della temperatura dei fumi della caldaia perdiamo circa l’1% in efficienza.
Se per esempio a queste condizioni, con dei fumi a una temperatura di 197°C corrisponde un rendimento del 92%, a una temperatura di 219°C si ha un’efficienza lorda del 91%.
2. Come effettuare il controllo dei fumi
Il controllo sui fumi delle caldaie può riguardare sia la loro composizione che la loro temperatura.
A seconda della tipologia dell’impianto, esistono diverse tempistiche rispetto alla ciclicità dei controlli.
Generalmente per un impianto di tipo industriale, i fumi vanno controllati almeno una volta all’anno da un tecnico esperto.
Il controllo dovrà verificare sia che i parametri rientrino nelle normative vigenti in quel territorio, ma soprattutto, che rispecchino le condizioni di utilizzo del produttore.
Per quanto riguarda la loro temperatura, invece, è sempre consigliato tenerla costantemente monitorata.
Con la temperatura dei fumi infatti si può calcolare il rendimento della caldaia in quel preciso momento.
Tenendola monitorata costantemente, si possono quindi delineare le performance della caldaia o dell’impianto per lunghi archi temporali.
Ricavando l’andamento dei rendimenti, per esempio per una stagione, si potrebbe studiare come aumentarne il valore medio cambiando alcune modalità di utilizzo.
Conclusioni
Abbiamo capito quindi che i fumi della caldaia giocano un ruolo fondamentale per il suo corretto funzionamento: a partire dalla loro composizione e fino alla loro temperatura.
Entrambi questi parametri ci permettono di stabilire lo stato di salute della combustione e tenere monitorati i rendimenti dell’intero impianto.
Sapendo che alti rendimenti corrispondono a costi d’esercizio minori, risulta scontato capire il grado di importanza del controllo dei fumi della caldaia.