Potere calorifico

Il "potere calorifico" è la quantità massima di energia che si può ricavare convertendo completamente l'ingombro unitario di un vettore energetico in condizioni standard. Misura pertanto la sua validità dato che il principale problema nell'utilizzo dei vettori energetici è appunto l'ingombro, che per un solido e un liquido è solitamente rappresentato dalla massa, mentre per un gas o un plasma corrisponde solitamente al volume. Se si sceglie la combustione come conversione, esso concide con l'entalpia standard massica o volumica di combustione del combustibile.

Unità di misura

Solitamente si misura la massa in kg, quindi il potere calorifico risulta in MJ/kg o, in forma ormai obsoleta, in kcal/kg. Usualmente però per i combustibili gassosi ci si riferisce al Nm³, o nelle transazioni commerciali allo Sm³. Generalmente si distingue tra:

• Potere calorifico superiore (Δ_cH_s^o, meno correttamnete indicato come PCS o come HHV)
• Potere calorifico inferiore (Δ_cH_i^o, meno correttamnete indicato come PCI o come LHV).

Potere calorifico superiore

Il potere calorifico superiore (Δ_cH_s^o) è la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente.

La determinazione del potere calorifico si può ottenere approssimativamente col calcolo, in base all'analisi elementare del combustibile, oppure direttamente mediante l'uso di appositi strumenti calorimetrici.

Nel primo caso si determina la massa degli elementi combustibili, carbonio (C), idrogeno (H), zolfo (S) contenuta in un chilogrammo di combustibile mediante l'analisi chimica elementare, quindi si valuta l'apporto di calore fornito da ciascuno di essi e si sommano i risultati. Il calcolo fornisce un valore approssimato perché la quantità di calore ottenuto dipende anche dalla forza dei legami chimici nelle molecole del combustibile di partenza.
Ad esempio, considerando che 1 kg di carbonio sviluppa nella combustione circa 33 MJ e che 1 kg di idrogeno sviluppa circa 143 MJ e avendo un olio combustibile con un tenore di carbonio dell'85,5% e di idrogeno dell'11,5% in massa (cioè 0,855 kg_C di carbonio e 0,115 kg_H2 di idrogeno per 1 kg_comb di olio), col rimanente 3% costituito da materia inerte, il suo potere calorifico superiore sarebbe:

Δ_cH_s^o = 0,855 kg_C/kg_comb · 33 MJ/kg_C + 0,115 kg_H2/kg_comb · 143 MJ/kg_H2 = 44,66 MJ/kg_comb

Il potere calorifico superiore si determina invece direttamente mediante la bomba calorimetrica di Mahler o apparecchi simili, in cui si fa avvenire una reazione stechiometrica completa tra un quantità ben determinata di combustibile e l'ossigeno. Il calore prodotto dalla reazione viene assorbito da una massa nota di acqua (o di altro liquido), di cui si misura l'aumento della temperatura. Di qui si risale alla quantità di calore scambiata.

Formula di Dulong

La formula di Dulong è una relazione empirica per il calcolo del potere calorifico superiore, che combina le principali reazioni di combustione considerando l'energia sprigionata da ciascuna di essa.

Δ_cH_s^o = 32,79 MJ/kg w^C + 150,4 (w^H - w^O/8) + 9,26 w^S + 4,97 w^O + 2,42 w^N

dove wⁱ è la frazione massica dell'elemento i-esimo nel campione.

Potere calorifico inferiore

Tipicamente, nelle combustioni normali i prodotti della combustione sono rilasciati a temperatura più alta di quella di riferimento del combustibile. Così, una parte del calore teoricamente disponibile si 'disperde' per il riscaldamento dei fumi e, soprattutto, per la vaporizzazione dell'acqua prodotta dalla combustione. Si tenga conto che, per ogni grado di aumento della temperatura dei fumi, servono circa 1 kJ/kg di fumi e che per ogni kg di vapore d'acqua nei fumi servono circa 2,5 MJ per calore latente di vaporizzazione a 100 °C.

Convenzionalmente si definisce potere calorifico inferiore Δ_cH_i^o "il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la combustione".

Questo è il valore a cui si fa usualmente riferimento quando si parla di potere calorifico di un combustibile e di rendimento di una macchina termica.

Nelle moderne caldaie a condensazione si riesce a recuperare parte del calore latente del vapor d'acqua. Questo fatto permette di ricavare, da un kg di combustibile, una quantità di calore maggiore del potere calorifico inferiore, quindi, con rendimento nominale uguale al 100%, anche se una parte del calore teoricamente disponibile (potere calorifico superiore) continua ad essere dispersa coi fumi.

Per determinare il potere calorifico inferiore mediante l’analisi elementare bisogna prima determinare il potere calorifico superiore e poi sottrarre da questo 2,5 MJ per ogni kg di vapor d'acqua contenuto nei fumi. Il vapor d'acqua nei fumi sarà dovuto alla combustione dell'idrogeno e all'umidità presente inizialmente nel combustibile

Esempio (trascurando i termini meno importanti):

Δ_cH_s^o (C) = 33 MJ/kg

Δ_cH_s^o (H) = 143 MJ/kg

Avendo un olio combustibile con un tenore di 85% carbonio, 12% idrogeno, 1% umidità:

w^C= 0,855

w^H= 0,12

w^H₂O= 0,01

sapendo che:

Rapporto massico di vapore da idrogeno Δw^H₂O = 9 kg/kg

Calore assorbito dal vapore per formarsi da acqua liquida Δ_fH^o (H₂O_(g)) = 2,5 MJ/kg

si ha:

Δ_cH_s^o = w^C Δ_cH_s^o (C) + w^H Δ_cH_s^o (H) = (0,855 × 33 MJ/kg) + (0,12 × 143 MJ/kg) = 45 MJ/kg

Δ_cH_i^o = Δ_cH_s^o - (Δw^H₂O w^H + w^H₂O) Δ_fH^o (H₂O_(g)) = 45,375 MJ/kg - (9 x 0,12 + 0,01) × 2,5 MJ/kg = 42,65 MJ/kg

In altre parole, il potere calorifico inferiore è uguale al potere calorifico superiore meno il tenore di idrogeno nel combustibile, moltiplicato per 9 e per 2,5, meno il tenore di umidità presente nel combustibile, moltiplicato per 2,5:

$\Delta_c H_i^o = \Delta_c H_s^o - \frac{22,5 MJ}{kg} w^H - \frac{2,5 MJ}{kg} w^{H_2O}$

Alcuni valori

Il potere calorifico dei vettori energetici commerciali è molto variabile e dipende dall'origine del materiale e dai trattamenti successivamente subiti. Perciò i valori in tabella sono puramente indicativi.

Potere calorifico di alcuni vettori	ΔcHso			ΔcHio
Vettore energetico	MJ/kg	MJ/Nm3	MJ/Sm3	MJ/kg	MJ/Nm3	MJ/Sm3
UOx arricchito al 3%	2070 x 103	-	-	2070 x 103	-	-
Grafite	32.65	-	-	32.808	-	-
Legna secca (umidità <15%)	-	-	-	15.9	-	-
Torba secca	-	-	-	13	-	-
Torba umida	-	-	-	6	-	-
Trementina	45.40	-	-	45.4	-	-
Carbone	-	-	-	33.5	-	-
Gas d'altoforno	-	-	-	32.0	-	-
Coke	-	-	-	34.2	-	-
Olio combustibile	-	-	-	41.3	-	-
Gasolio	47.3	-	-	44.4	-	-
Kerosene	46.2	-	-	43.5	-	-
Benzina	46.0	-	-	43.6	-	-
Gas di petrolio liquefatto	-	-	-	46.1	-	113
Gas naturale	54	-	-	47.7	-	34.54
Benzene	41.8	-	-	-	-	-
Acetilene	49.9	-	-	-	-	-
Pentano	45.35	-	-	-	-	-
Butano	49.50	-	-	45.75	-	-
Propano	50.35	-	-	46.35	-	-
Metano	55.50	35.16	-	50.0	31.65	-
Idrogeno	141.8	12.742	-	120.0	11.109	-
Propanolo	33.6	-	-	-	-	-
Etanolo	29.7	-	-	27.1	-	-
Metanolo	22.7	-	-	19.7	-	-
Acetone	-	-	-	28.548	-	-
Ammoniaca	22.5	-	-	-	-	-
Idrazina	19.4	-	-	-	-	-
Monossido di Carbonio	-	-	-	10.05	-	-
Zolfo	-	-	-	9.163	-	-

Voci correlate

• Combustione
• Entalpia standard di formazione
• Entalpia di legame
• Formula di Dulong
• Temperatura d'ignizione
• Vettore energetico
• Aria teorica

Collegamenti esterni

• Poteri calorifici medi di alcuni combustibili

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