NihilScio
     

www.nscio.com ©2009 Iuppiter 

Nihil Scio, Sed Unum Scio, Nihil Scire Motore di ricerca tematico per studenti e studiosi        beta version

NihilScio   Indice

 I COMBUSTIBILI  
 

 I combustibili sono di solito composti organici - soprattutto idrocarburi - che possono combinarsi con l'ossigeno dell'aria in reazioni esotermiche.

Oltre agli idrocarburi i combustibili contengono anche altri elementi : zolfo, inerti (azoto, acqua) e metallici (generatori di ceneri). Nella combustione si svolgono le seguenti reazioni chimiche:

C + O2 = CO2 + 8080 kcal/kg

C + o = CO + 2 450 kcal/kg

H2+ o= H2O + 34 000 kcal/kg

S + O2 = SO2 + 2200 kcal/kg

pre-combustione: formazione, tra 400-600°C, di specie instabili (radicali liberi o atomi) che incrementano la velocità delle successive reazioni di ossidazione. combustione: combinazione di radicali liberi con ossigeno e con le molecole del combustibile in una complessa e rapida sequenza di reazioni a catena dando origine a prodotti di ossidazione incompleta (CO, H2,…), completa (CO2, H2O, …) e ad altri radicali liberi.

· reazioni post-fiamma: trasmissione di parte del calore di combustione all'esterno da parte dei prodotti (fumi) con ¯T. Ricombinazioni chimiche dei prodotti di combustione (specie dissociate o parzialmente ossidate) per dare i prodotti finali della combustione

Il potere calorifico superiore (Hs) indica la quantità di calore, espressa in kcal/kg (o joule/kg, dove 1 joule = 0,239 cal), sviluppata quando 1 kg di combustibile brucia e i prodotti della reazione possono di nuovo essere raf­freddati alla temperatura ambiente (20°C).

Il Potere calorifico inferiore (Hj), importante ai fini tecnici, è più basso per il calore di condensazione del vapor acqueo formatosi.

Il livello termico viene misurato attraverso la chilocaloria (1 kcal = 4,185 k joule) pari alla quantità di calore necessaria per riscaldare di 1°C, 1 kg di acqua a 14,5 °C.

Il potere calorifico di un combustibile può essere determinato in base alla composizione chimica (analisi degli elementi) e al contenuto di ma­terie non combustibili (acqua, ceneri, e altre sostanze iner­ti come N, CO., ecc.).
Secondo lo stato di aggregazione i combustibili sono classificati in combustibili gassosi, liquidi e solidi.

I materiali gassosi possono essere ben miscelati con l'aria comburente e danno la combustione più pulita. Anche i normali combustibili liquidi sono generalmente esenti da acqua e da ceneri.

I combustibili solidi presentano un tenore di cenere e una percentuale di umidità elevate e possono essere trasformati in gasi o liquido.

I combustibili gassosi e liquidi possono essere usati sia a scopo di riscaldamento, sia per l'alimentazione di motori a combustione interna.

GAS COMBUSTIBILI.  
 

Il combustibile gassoso più importante in natura è il gas naturale. Viene estratto con il petrolio o in giacimenti di gas. E' costituito principalmente da metano  (CH4) . Ha un alto potere calorifico, circa 8000-10000 kcal/Nm3 (1 Nm3= 1 m3 di gas a O °C e 760 mm Hg) .

Altri gas combustibili vengono ricavati dai combustibili solidi e liquidi.

- il gas di città diffusamente adoperato per usi domestici e ricavato dal carbon fossile mediante "distillazione secca," con un potere calorifico di 3500-5500 kcal/Nm3 ;

i gas industriali di solito assai meno calorifici come il gas d'altoforno, il gas povero e il gas d'acqua (potere calorifico circa 700-2900 kcal/Nm3, secondo il tipo), il gas da distillazione della lignite nonché i gas da cracking e da pirolisi ottenuti per scissione termica o catalitica dagli idrocarburi, con un potere calorifico di 10 000 kcal/Nm3.

I gas industriali presentano una composizione molto diversa e sono costituiti da idrocarburi, H2, CO e gas inerti N2 e CO2.

I gas da cracking e da pirolisi contengono anche idrocarburi non saturi (olefine).

COMBUSTIBILI LIQUIDI E CARBURANTI.  
 

Le miscele di idrocarburi sono derivati del petrolio e talvolta anche catrami da distillazione a bassa ed alta temperatura da lignite e litantrace. Fra i combustibili liquidi, oli minerali combustibili e per riscaldamento, si possono distinguere due gruppi:

- gli oli da distillazione per riscaldamento, fluidi e puliti;

- gli oli residui, più viscosi e spesso contenenti tracce di acqua e depositi solidi.

I primi possono esser trasformati e polverizzati senza alcun preriscaldamento e sono utilizzati soprattutto per il riscaldamento domestico e per piccoli impianti di riscaldamento industriale.

I secondi devono,  a volte per Il trasporto e sempre per una buona polverizzazione essere più o meno miscelati, e sono quindi impiegati soprattutto in impianti più grandi, dotati di dispositivi per il preriscaldamento e di un buon controllo della combustione.

Gli oli da riscaldamento vengono suddivisi e classificati commercialmente in primo luogo secondo la loro fluidità,

- viscosità, mentre le loro specifiche di regola descrivono anche il comportamento a freddo (punto di solidificazione, tendenza alla separazione, della paraffina),

-il punto di infiammabilità importante per le prescrizioni dei vigili del fuoco e - soprattutto per impianti notevoli - il coefficiente di formazione del coke che serve come misura della tendenza alla formazione di coke.

     Per gli oli pesanti occorre tener conto dei contenuti di acqua, di sedimenti e di ceneri, mentre l'assenza di depositi negli oli fluidi e chiari può già essere controllata a occhio nudo. Il potere calorifico (Hi) degli oli combustibili in assenza di acqua e di ceneri è, con buona approssimazione, inversamente proporzionale alla densità. I distillati leggeri presentano un Hj di circa 10200 -10000 kcal/kg, gli oli da riscaldamento intermedi di circa 10 000 ­9700 kcal/kg, e i più. pesanti anche al disotto di 9500 kcal/kg - e se ottenuti da catrami distillati fino a circa 8500 kcal/kg.  Un ruolo molto importante è svolto oggi dai carburanti sia per motori a carburazione e diesel sia per turbine a gas. Come tali vengono usati soprattutto derivati del petrolio, da cui vengono se­parati mediante distillazione o estrazione, oppure per trasformazione chimica (cracking, reforming, e cosi via).

     Nel motore a carburazione la miscela aria-carburante (innescata esclusivamente "dall'esterno") si forma per miscelazione di un gas combustibile con l'aria aspirata; nebulizzazione del combustibile liquido e volatile nell'aria aspirata per mezzo di un "carburatore" (per i motori di trattori, funzionanti di regola con combustibili relati­vamente poco volatili, la nebbia di carburante deve essere preventivamente scaldata in uno scambiatore di calore a gas di scarico per ottenere una buona distribuzione); iniezione di una nebbia di carburante nella stessa camera di combustione in precedenza caricata di aria aspirata e compressa.

     Un buon carburante per motori a carburazione deve perciò presentare una volatilità ben dosata e adeguata a un tempo al tipo di motore e alle condizioni di funzionamento; deve essere sufficientemente volatile affinché il motore, a freddo, si metta in moto con facilità, si scaldi e acceleri e la miscela si distribuisca ugualmente fra i diversi cilindri; non deve contenere frazioni a punto di ebollizione troppo alto che diluiscono l'olio lubrificante e portano a combustione non pulita, e neppure frazioni troppo volatili che nel motore d'auto (in particolare d'estate) e nel motore di aeroplano (a quote elevate) danno luogo a intollerabili perdite per evaporazione e a disturbi per formazione di bolle di vapore.

     Importante proprietà dei carburanti per motori a carburazione è il potere indetonante, con cui si intende la resistenza che il carburante oppone all'insorgere di una combustione anormale portante alla "detonazione."

     La combustione con detonazione dà luogo a punte di pressione e a uno sviluppo di calore localizzato che producono, in casi estremi, danni al motore e sempre comunque una diminuzione del rendimento. La determinazione di questa proprietà .avviene confrontando, in uno speciale motore monocilindrico a compressione variabile, durante il funzionamento, il carburante in esame con un carburante di riferimento, cioè o con una miscela di isottano iC8 indetonante e di eptano normale nC7 detonante, o con iC8 con diverse aggiunte di piombo; si valuta allora la resistenza alla detonazione o come numero di ottano (NO) - corrispondente al contenuto di iC8 della miscela iC8/nC7 equivalente - o come coefficiente di potenza (CP) - corrispondente alla massima potenza ottenibile, con detonazione limitata, con il carburante in esame espressa in percentuale di quella ottenibile con iC8.

     Un buon carburante per motori a carburazione deve inoltre essere esente da insudiciamento meccanico, o da prodotti di alterazione di tipo resinoso e, se possibile, non formarne, anche nel corso di lunghi immagazzinamenti. Alle benzine per aereo, che vengono esposte a temperature molto basse, deve essere richiesta una adeguata r e resistenza al freddo e un assoluto potere di separazione dall'acqua eventualmente mescolata, che altrimenti potrebbe condurre alla formazione di cri­stalli di ghiaccio. Occorre prestare la necessaria attenzione anche al contenuto di zolfo e di altri composti corrosivi e nei combustibili di sicurezza - come  il petrolio per trattori - a un grado di infiammabilità sufficientemente elevato.

     Nel motore Diesel il carburante viene spruzzato o in una precamera, o direttamente nell'aria di combustione fortemente compressa nel cilindro e si accende subito dopo - a differenza del motore a carburazione ­"spontaneamente," con un piccolo ritardo all'accensione. Per quanto riguarda le caratteristiche che i carburanti devono avere, occorre distinguere tra motori piccoli e veloci, che richiedono un combustibile pregiato tipo gasolio, e quelli grandi e lenti, che sono essenzialmente meno esigenti e possono essere progettati e fatti funzionare anche con oli più pesanti.

     Una proprietà importante dei combustibili, soprattutto per motori veloci, è l'accendibilità. Il combustibile spruzzato deve infiammarsi con un ritardo determinato, né troppo grande, né troppo piccolo. Con combustibili troppo resistenti all'accensione il motore ha un battito sordo (battito del Diesel), con quelli troppo accendibili non è possibile alcuna polverizzazione né miscelazione con l'aria di combustione. La valutazione viene fatta pure in un motore sperimentale monocilindrico dove si confronta l'accendibilità del combustibile in esame con quello di miscele di normalcetano nC16 (molto accendibile) e di alfametilnaftalina (resistente all'accensione). Come numero di cetano (NC) viene indicato il tenore di nC16 della miscela di riferimento equivalente a quella in prova. Una misura approssimata della tendenza alla formazione di coke all'iniettore è fornita dal coefficiente di formazione del coke. Dalla viscosità dipende se il carburante freddo può essere spruzzato o se invece deve essere scaldato. A basse temperature di esercizio diventa importante la temperatura d'inizio separazione paraffine (BPA) o "filtrabilità" e il punto di solidificazione. Anche in questo caso il punto d'infiammabilità deve rispettare le disposizioni dei vigili del fuoco. Per un buon funzionamento dei motori Diesel equipaggiati con pompe molto precise e con piccoli iniettori è importante l'assenza di acqua, di morchie solide, e, per evitare la corrosione, di ogni sostanza acida o corrosiva. È bene prestare conveniente attenzione al tenore di zolfo talvolta molto alto, soprattutto negli oli pesanti.

     Le miscele di idrocarburi sono derivati del petrolio e talvolta anche catrami da distillazione a bassa ed alta temperatura da lignite e litantrace. Fra i combustibili liquidi, oli minerali combustibili e per riscaldamento, si possono distinguere due gruppi:

- gli oli da distillazione per riscaldamento, fluidi e puliti;

- gli oli residui, più viscosi e spesso contenenti tracce di acqua e depositi solidi.

I primi possono esser trasformati e polverizzati senza alcun preriscaldamento e sono utilizzati soprattutto per il riscaldamento domestico e per piccoli impianti di riscaldamento industriale.

I secondi devono,  a volte per Il trasporto e sempre per una buona polverizzazione essere più o meno miscelati, e sono quindi impiegati soprattutto in impianti più grandi, dotati di dispositivi per il preriscaldamento e di un buon controllo della combustione.

Gli oli da riscaldamento vengono suddivisi e classificati commercialmente in primo luogo secondo la loro fluidità,

- viscosità, mentre le loro specifiche di regola descrivono anche il comportamento a freddo (punto di solidificazione, tendenza alla separazione, della paraffina),

-il punto di infiammabilità importante per le prescrizioni dei vigili del fuoco

e - soprattutto per impianti notevoli - il coefficiente di formazione del coke che serve come misura della tendenza alla formazione di coke.

Per gli oli pesanti occorre tener conto dei contenuti di acqua, di sedimenti e di ceneri, mentre l'assenza di depositi negli oli fluidi e chiari può già essere controllata a occhio nudo. Il potere calorifico (Hi) degli oli combustibili in assenza di acqua e di ceneri è, con buona approssimazione, inversamente proporzionale alla densità. I distillati leggeri presentano un Hj di circa 10200 -10000 kcal/kg, gli oli da riscaldamento intermedi di circa 10 000 ­9700 kcal/kg, e i più. pesanti anche al disotto di 9500 kcal/kg - e se ottenuti da catrami distillati fino a circa 8500 kcal/kg.  Un ruolo molto importante è svolto oggi dai carburanti sia per motori a carburazione e diesel sia per turbine a gas. Come tali vengono usati soprattutto derivati del petrolio, da cui vengono se­parati mediante distillazione o estrazione, oppure per trasformazione chimica (cracking, reforming, e cosi via).

    Nel motore a carburazione la miscela aria-carburante (innescata esclusivamente "dall'esterno") si forma per miscelazione di un gas combustibile con l'aria aspirata; nebulizzazione del combustibile liquido e volatile nell'aria aspirata per mezzo di un "carburatore" (per i motori di trattori, funzionanti di regola con combustibili relati­vamente poco volatili, la nebbia di carburante deve essere preventivamente scaldata in uno scambiatore di calore a gas di scarico per ottenere una buona distribuzione); iniezione di una nebbia di carburante nella stessa camera di combustione in precedenza caricata di aria aspirata e compressa.

     Un buon carburante per motori a carburazione deve perciò presentare una volatilità ben dosata e adeguata a un tempo al tipo di motore e alle condizioni di funzionamento; deve essere sufficientemente volatile affinché il motore, a freddo, si metta in moto con facilità, si scaldi e acceleri e la miscela si distribuisca ugualmente fra i diversi cilindri; non deve contenere frazioni a punto di ebollizione troppo alto che diluiscono l'olio lubrificante e portano a combustione non pulita, e neppure frazioni troppo volatili che nel motore d'auto (in particolare d'estate) e nel motore di aeroplano (a quote elevate) danno luogo a intollerabili perdite per evaporazione e a disturbi per formazione di bolle di vapore.

Importante proprietà dei carburanti per motori a carburazione è il potere indetonante, con cui si intende la resistenza che il carburante oppone all'insorgere di una combustione anormale portante alla "detonazione."

La combustione con detonazione dà luogo a punte di pressione e a uno sviluppo di calore localizzato che producono, in casi estremi, danni al motore e sempre comunque una diminuzione del rendimento. La determinazione di questa proprietà .avviene confrontando, in uno speciale motore monocilindrico a compressione variabile, durante il funzionamento, il carburante in esame con un carburante di riferimento, cioè o con una miscela di isottano iC8 indetonante e di eptano normale nC7 detonante, o con iC8 con diverse aggiunte di piombo; si valuta allora la resistenza alla detonazione o come numero di ottano (NO) - corrispondente al contenuto di iC8 della miscela iC8/nC7 equivalente - o come coefficiente di potenza (CP) - corrispondente alla massima potenza ottenibile, con detonazione limitata, con il carburante in esame espressa in percentuale di quella ottenibile con iC8.

Un buon carburante per motori a carburazione deve inoltre essere esente da insudiciamento meccanico, o da prodotti di alterazione di tipo resinoso e, se possibile, non formarne, anche nel corso di lunghi immagazzinamenti. Alle benzine per aereo, che vengono esposte a temperature molto basse, deve essere richiesta una adeguata r e resistenza al freddo e un assoluto potere di separazione dall'acqua eventualmente mescolata, che altrimenti potrebbe condurre alla formazione di cri­stalli di ghiaccio. Occorre prestare la necessaria attenzione anche al contenuto di zolfo e di altri composti corrosivi e nei combustibili di sicurezza - come  il petrolio per trattori - a un grado di infiammabilità sufficientemente elevato.

Nel motore Diesel il carburante viene spruzzato o in una precamera, o direttamente nell'aria di combustione fortemente compressa nel cilindro e si accende subito dopo - a differenza del motore a carburazione ­"spontaneamente," con un piccolo ritardo all'accensione. Per quanto riguarda le caratteristiche che i carburanti devono avere, occorre distinguere tra motori piccoli e veloci, che richiedono un combustibile pregiato tipo gasolio, e quelli grandi e lenti, che sono essenzialmente meno esigenti e possono essere progettati e fatti funzionare anche con oli più pesanti.

     Una proprietà importante dei combustibili, soprattutto per motori veloci, è l'accendibilità. Il combustibile spruzzato deve infiammarsi con un ritardo determinato, né troppo grande, né troppo piccolo. Con combustibili troppo resistenti all'accensione il motore ha un battito sordo (battito del Diesel), con quelli troppo accendibili non è possibile alcuna polverizzazione né miscelazione con l'aria di combustione. La valutazione viene fatta pure in un motore sperimentale monocilindrico dove si confronta l'accendibilità del combustibile in esame con quello di miscele di normalcetano nC16 (molto accendibile) e di alfametilnaftalina (resistente all'accensione). Come numero di cetano (NC) viene indicato il tenore di nC16 della miscela di riferimento equivalente a quella in prova. Una misura approssimata della tendenza alla formazione di coke all'iniettore è fornita dal coefficiente di formazione del coke. Dalla viscosità dipende se il carburante freddo può essere spruzzato o se invece deve essere scaldato. A basse temperature di esercizio diventa importante la temperatura d'inizio separazione paraffine (BPA) o "filtrabilità" e il punto di solidificazione. Anche in questo caso il punto d'infiammabilità deve rispettare le disposizioni dei vigili del fuoco. Per un buon funzionamento dei motori Diesel equipaggiati con pompe molto precise e con piccoli iniettori è importante l'assenza di acqua, di morchie solide, e, per evitare la corrosione, di ogni sostanza acida o corrosiva. È bene prestare conveniente attenzione al tenore di zolfo talvolta molto alto, soprattutto negli oli pesanti.

     Le turbine a gas industriali impiegano carburanti poco pregiati. Si possono far funzionare senza inconvenienti con combustibili gassosi. Usando oli da riscaldamento più pesanti diventa critico il tenore di ceneri, che può costringere a una limitazione delle temperature di esercizio.

COMBUSTIBILI SOLIDI.
 

     Nell'Europa occidentale sono in diminuzione rispetto a quelli liquidi e gassosi. Vi appartengono il legno e i materiali fossili: torba, lignite e litantrace. Tra gli ultimi si distingue ancora, a seconda del contenuto in componenti volatili e della capacità di bruciare e di dare coke, tra carboni per fiamme a gas, carboni per gas, carboni grassi e magri, carboni per usi domestici e antracite . Il contenuto in sostanze volatili scende, nella successione data, da oltre il 30 % nei carboni per fiamme a gas, a 3 -10% nell'antracite, riferendosi a combustibili esenti da acqua e da ceneri. La capacità di bruciare e di dare coke varia da un massimo nei carboni grassi e per gas a un minimo nei carboni magri e nelle antraciti.

     Dalla lignite e dalla litantrace vengono prodotti, in processi di degassificazione ad alta temperatura e in assenza di fiamma, coke da lignite o senza fiamma e coke da litantrace. Certi processi di preparazione del petrolio (cokung) danno un combustibile solido, coke da petrolio.

     Legno, torba e lignite presentano, anche dopo essiccamento all'aria, un tenore assai elevato, fino al 50 %, di acqua residua; anche nella litantrace e nel coke si deve tener conto di un tenore di umidità del 2-10%. Il tenore di ceneri dei carboni e del coke oscilla all'incirca tra il 5 e il 15 %; legno e coke da petrolio sono invece relativamente poveri di ceneri.

Legno, torba e lignite presentano il più basso Hi, tra 2000 e 4000 kcal/kg. Per una buona litantrace si valutano 6000-8000 kcal/kg; il coke da lignite raggiunge valori di 5200, il coke da litantrace da 6400 a 7400 kcal/kg circa.