Chimica e laboratorio triennio

Prof. TROIANO Sergio

Scopo: determinazione del rendimento termico di una caldaia.

Durata: due ore.

La caldaia è un apparecchio in cui si brucia un combustibile allo scopo di recuperare la maggior parte del calore prodotto nella combustione. Le caldaie contengono normalmente una zona radiante, in cui il calore è scambiato prevalentemente per irraggiamento, ed una zona convettiva in cui il calore è scambiato prevalentemente per convezione. Quest'ultima zona può anche mancare nelle piccole caldaie. La temperatura della fiamma dipende in massima parte dall'eccesso d'aria usato nella combustione ed è, naturalmente auspicabile, che essa sia la maggiore possibile. Tuttavia, malgrado la massima temperatura di fiamma si ottenga con una quantità di aria pari circa a quella stechiometrica, si preferisce operare con un certo eccesso d'aria per minimizzare la fuliggine prodotta che, oltre a produrre inquinamento atmosferico, incrostando la caldaia riduce il coefficiente di scambio termico. L'eccesso d'aria normalmente adottato è dal 5% al 10% per i combustibili gassosi, dal 15% al 25 % per i combustibili liquidi e dal 50% al 100% per i combustibili solidi.

Materiali ed apparecchiature:

Tanica di plastica da 20 litri, un cilindro da 1000 ml, caldaia tipo generatore di vapore, contatore del gas che alimenta la caldaia, colonna di distillazione.

Modo di operare:

1. E' necessario accendere, subito, la caldaia perché occorrono circa venti minuti per mandarla in pressione, poi si deve staccare il tubo di scarico della condensa della colonna di distillazione dal collettore di fogna, per raccogliere e misurare la condensa stessa, quando si formerà. La raccolta dei dati deve avvenire solo quando tutta l'apparecchiatura è a regime ed il bruciatore della caldaia si attiva ad intervalli regolari.
2. Dopo avere, come di consueto lavato e scolato la tanica di plastica, si deve mettere esattamente un litro di acqua per condensare l'eventuale vapore sfuggito allo scaricatore di condensa e quindi, iniziando da un momento in cui il bruciatore è fermo, si deve inserire il tubo di scarico della condensa nel bocchettone della tanica fino a farlo arrivare sul fondo e comunque, di sotto al pelo libero dell'acqua che abbiamo messo nella tanica e contestualmente si deve leggere ed annotare, il numero sul contatore del gas.
3. Qualora si volesse misurare anche la potenza del bruciatore della caldaia, si dovrebbe tenere nota, anche del tempo di accensione del bruciatore, con un cronometro che permette la ripartenza.
4. A causa della discontinuità del funzionamento della caldaia ed anche, sebbene meno importante, anche della colonna di distillazione, il periodo minimo di raccolta della condensa deve essere almeno di mezz'ora, trascorsa la quale ed approfittando di un momento di quiete del bruciatore, e cercando, per quanto possibile di riportarci in condizioni il più possibile identiche a quelle riscontrano all'inizio della raccolta dati, spegniamo la caldaia e togliamo il tubo di scarico della condensa dalla tanica prestando attenzione a far scolare tutta l'acqua che contiene.
5. Leggiamo il numero del contatore del gas e calcoliamo, per differenza il consumo di gas metano espresso in mc, quindi, servendoci del cilindro graduato, misuriamo il volume della condensa raccolta ricordando di sottrarre il litro che avevamo messo come liquido di fondo.
6. Essendo la densità dell'acqua uguale ad 1kg/litro, la massa, in kg, del vapore prodotto dalla caldaia è uguale al volume in litri della condensa. Il rendimento della caldaia può essere calcolato, a questo punto, con la formula

Rendimento = kg vapore * (entalpia vapore - entalpia acqua) /Vmetano * potere calorifico

Conclusioni:

Il rendimento della caldaia risulta sempre minore di uno oppure di cento se si esprime in percentuale, soprattutto a causa del calore perso con il fumo, nella canna fumaria.

Il valore calcolato è poco esatto perché sia perché il funzionamento della caldaia è discontinuo, sia perché una piccola parte della condensa è perduta a causa di spruzzi ed perdita di vapore dalla tanica, sia perché non è possibile stimare, e tantomeno misurare, la perdita per dispersione di calore degli apparecchi e delle tubature di collegamento, verso l'ambiente.

L'esperienza andrebbe completata con la misura del potere calorifico del gas combustibile

Con un calorimetro che però non abbiamo in dotazione nel laboratorio di tecnologie chimiche.