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| I COMBUSTIBILI | ||||
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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.). 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. |
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| GAS COMBUSTIBILI. | ||||
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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).
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| COMBUSTIBILI LIQUIDI E CARBURANTI. | ||||
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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.
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.
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